Влияние нефтяного загрязнения почвы на ризосферную микробиоту и моделирование процессов биодеградации углеводородов

Водопьянов В.В., Киреева Н.А., Григориади А.С., Якупова А.Б.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа Башкирский государственный университет, Уфа

ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ НА РИЗОСФЕРНУЮ МИКРОБИОТУ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОДЕГРАДАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ

Изучено влияние нефтяного загрязнения почвы на численность различных физиологических групп микроорганизмов в ризосфере пшеницы, ячменя и дягиля. Показано стимулирующее влияние нефти на развитие углеводородокисляющих микроорганизмов, и построена математическая модель их развития. Приведены результаты моделирования биодеградации нефти в ризосфере растений.

Ключевые слова: нефтезагрязненная почва, ризосфера, пшеница, ячмень, дягиль, углеводородо-кисляющие микроорганизмы (УОМ), математическая модель, биодеградация

В условиях активной антропогенной деятельности человечества нефть и нефтепродукты являются основным загрязнителем окружающей среды в мире. В результате аварийных ситуаций при добыче, перевозке и хранении, а также неправильной эксплуатации оборудования происходят утечки нефти, которая наносит значительный урон всей почвенной экосистеме. Это поднимает вопрос о разработке методов восстановления загрязненных участков. В настоящее время на заключительных этапах рекультивации активно используют фиторемедиацию. Положительная роль растений в очищении почв связана с их способностью поглощать и трансформировать токсиканты, активизировать деятельность микробного сообщества, и, как следствие, интенсифицировать биохимические и химические процессы трансформации чужеродных соединений в почве (Турковская, Муратова, 2005). Таким образом, важную роль в детоксикации поллютантов может сыграть ризосфера растений, которая является областью активного развития микроорганизмов. Под воздействием небольших концентраций происходит стимуляция жизнедеятельности ризос-ферных микроорганизмов и соответственно процессов деградации поллютанта (Banks et al, 2003). Таким образом, изучение влияния нефти на ризосферные микроорганизмы необходимо в первую очередь для выявления наиболее эффективных растений - фиторемедиантов, способных обеспечить быстрые темпы разрушения поллютантов, а также для оценки качества сельскохозяйственных культур.

В данной работе представлены результаты исследований по влиянию нефтяного загрязнения на динамику численности физиологических групп микроорганизмов в ризосфере рас-

тений пшеницы, ячменя и дягиля и построение модели ризодеградации нефти.

Модельный эксперимент был проведен на образцах темно-серой лесной почвы. Опытные растения вместе с комом почвы пересаживали в отдельные вегетационные сосуды, заливали нефтью в концентрациях 1, 2 и 6% от массы почвы и в дальнейшем исследовали влияние концентрации нефти на развития некоторых физиологических групп ризосферных микроорганизмов растений. В качестве контрольных использовали растения, произрастающие на незагрязненной фоновой почве. В качестве тест-объекта исследования выступали яровая пшеница (Triticum aestivum L.), ячмень (Hordeum distichon L.) и дикорастущий дягиль лекарственный (Archangelica officinalis L.). Влияние нефтяного загрязнения оценивали по показателям микробиологической активности. Учет численности микроорганизмов проводили по общепринятой методике посева почвенной суспензии на соответствующие ага-ризованные питательные среды (Методика, 1991). Для анализа микроорганизмов ризосферы проводили отмывание корней от грунта. Корни растений с прилипшей к ним почвой помещали в 100 мл стерильной воды и встряхивали на качалке при 180 об/мин в течение 3 мин. Отмытая почва представляла образец ризосферы. Определение культур бактерий производили, руководствуясь определителем Берджи (Определитель, 1997) и пособием для идентификации бактерий (Добровольская и др., 1989).

Одной из наиболее важных характеристик почвенной микробиоты является численность и соотношение основных физиологических групп микроорганизмов. При нефтяном загрязнении почвы в первые 10 суток в ризосфере пшеницы и дягиля общая численность

Таблица. Влияние нефтяного загрязнения почвы на численность физиологических групп микроорганизмов в ризосфере 10-и и 20-и суточных растений

Растение Концентрация нефти, % Гетеротрофы, 106 КОЕ/г почвы УОМ, 103 КОЕ/г почвы Целлюлозолитики, 104 КОЕ/г почвы

10 сут 20 сут 10 сут 20 сут 10 сут 20 сут

Пшеница 0 3,1±0,1 88±4,0 1,3±0,05 2,8±0,1 0,5±0,02 1,2±0,06

1 3,6±0,1 75±4,0 13±0,5 520±21 0,2±0,01 1,0±0,05

2 2,1 ±0,1 81 ±4,1 65±2,4 18000±80 0,4±0,02 0,5±0,02

6 0,6±0,03 32±1,5 130±5,5 65±0,3 0,05±0,02 0,1±0,03

Ячмень 0 2,9±0,14 10,0±0,5 6±0,3 9,5±0,45 0,4±0,02 1,6±0,08

1 3,2±0,15 6,0±0,3 22±1,1 610±30,3 0,2±0,01 0,8±0,04

2 3,6±0,18 7,5±0,4 90±4,5 1800±90 0,2±0,01 0,8±0,04

6 0,3±0,02 1,5±0,08 180±9,1 71000±360 0,07±0,004 0,1 ±0,05

Дягиль 0 7,7±0,6 14,6±1,3 3,0±0,2 11,0±0,6 4,51 ±0,2 13,8±1,3

1 3,0±0,2 18,1 ±0,9 16,5±0,8 70,0±3,5 2,8±0,2 5,6±0,3

2 3,2±0,3 45,1 ±2,0 20,0±1,0 140,0±7,1 2,2±0,1 1,9±0,07

6 16,5±1,7 11,2±1,8 30,0±1,5 160,0±8,0 0,9±0,08 1,4±0,07

гетеротрофных микроорганизмов значительно снизилась при всех дозах загрязнителя, вероятно, за счет токсического влияния пол-лютанта (табл). Низкие концентрации пол-лютанта (1-2%) не оказывали достоверного влияния на значения этого показателя у ячменя). Через 20 суток общая численность их возросла в несколько раз (2-5) в ризосфере всех видов растений, однако, высокие (6%) концентрации нефти ингибировали значение этого показателя. Очевидно, к этому времени началось улетучивание легких фракции углеводородов, за счет чего токсический эффект начинал снижаться, или же продукты расщепления нефти могли быть использованы гете-ротрофами в качестве источника питания и энергии. Можно так же предположить о благоприятном действии экссудатов, способствующих частичной детоксикации нефти и служащих источником питания для микроорганизмов. Вероятно, к этому времени произошло и увеличение количества погибших растительных остатков в почве за счет токсичности нефти, что способствовало пополнению соединений органических форм азота в почве - субстрата для гетеротрофов.

В целом, в отношении гетеротрофов наблюдалась сходная картина в вариантах опыта со всеми исследуемыми растениями. Доминирующими видами в ризосфере были представители родов Pseudomonas, Bacillus, Mycobacterium, Xanthomonas и отдельные представители семейств Enterobacteriaceae, Vibrionaceae. Среди представителей перечисленных выше родов встречались и углеводо-

родокисляющие микроорганизмы, прежде всего Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, являющиеся основой при создании биопрепаратов для очистки почв и грунтов от нефтяных углеводородов. Можно предположить, что они вносят определенный вклад в процесс биодеградации нефти в почве.

Загрязнение почвы нефтью вызывало снижение численности аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов в ризосфере исследуемых растений в течение всего эксперимента. Это свидетельствует о том, что нефтяные углеводороды, подавляющие развитие растений и увеличивающие содержание корневого опада, в свою очередь, приводят к нарушению круговорота углеродсодержащих веществ в корневой системе.

Динамика поведения углеводородокисля-ющих микроорганизмов (УОМ) в почвенной экосистеме имеет совершенно другой вид в сравнении с общей численностью других групп микроорганизмов. Загрязнение почвы нефтью стимулировало развитие популяции микроорганизмов - деструкторов нефти. Численность УОМ в ризосфере растений увеличивалась на один-два порядка уже в первые 10 суток. Через 20 суток эта величина превышала предыдущие значения показателя на 1-2 порядка. В дальнейшем, наблюдалось не только возрастание количества этих микроорганизмов, но и наблюдался «ризосферный эффект». Это связано, во-первых, с присутствием поллютанта в почве -основного субстрата для этой группы микроорганизмов, и, во-вторых, с жизнедеятельностью самого растения.

Нами была предложена новая математическая модель, описывающая поведение УОМ и процессов деградации углеводородов. Так как в ризосфере растений происходит выделение

Время, сутки

Рисунок 1. Динамика изменения численности УОМ и биодеградации нефти в ризосфере растений при 5% загрязнении

питательных веществ, была рассмотрена точечная модель с учетом нового параметра -плотности питательных веществ, выделяемых растениями в ризосфере. Это слагаемое учитывало рост численности микроорганизмов за счет увеличения питательных веществ в ризосфере растений. Уравнение, описывающее разложение составляющих нефти, содержало еще одно слагаемое: разложение за счет поглощения прикорневой системой, представленное в виде зависимости. Модель хорошо описывала динамику разложения нефти в течение 180 сут. эксперимента, где за начальную точку принято время появления всходов растения (рис). Введение данных изменений в систему уравнений, полученную нашими исследованиями ранее (Киреева, Водопьянов, 2007), позволило максимально приблизить к описанию процесса, происходящего в природе.

Построенная математическая модель адекватно описывала динамику изменения численности микроорганизмов в природнотехнической системе почвы и процессы биодеградации нефти. Для ее проверки были проведены численные эксперименты, дааные которых полностью подтвердили адекватность полученных численных расчетов реальным лабораторным опытам.

Список использованной литературы:

1. Добровольская Т.Г., Скворцова И.Н., Лысак Л.В. Методы выделения и идентификации бактерий. - М: Изд-во МГУ, 1989. - 72 с.

2. Киреева Н.А., Водопьянов В.В. Мониторинг растений, используемых для фиторемедиации нефтезагрязненных почв // Экология и промышленность России. - 2007. - сентябрь. - С. 46-47.

3. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. 304 с.

4. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т./ Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уилльямса. - М.: Мир, 1997. - Т. 1.- 432 с., Т. 2 368 с.

5. Banks M. K., Kulakow Р., Schwab A. P.; Chen Z., Rathbone K. Degradation of Crude Oil in the Rhizosphere of Sorghum bicolor // International Journal of Phytoremediation. - 2003 - Vol. 5, №3. - Р 225-234.

6. Турковская О.В., Муратова А.Ю. Биодеградация органических поллютантов в корневой зоне растений // Молекулярные основы взаимоотношений ассоциативных микроорганизмов с растениями. - М: Наука, 2005. - С. 180-208.