Перспективные технологии биоремедиации нефтезагрязненных объектов аридных территорий

Общеизвестно, что все бактерии и эукариотические одноклеточные организмы в природных условиях существуют в виде популяций, в лабораторных условиях – целостных структурированных колоний. Как популяции микроорганизмов, так и микробные колонии обладают функциональной специализацией, которая способствует более эффективному использованию питательных субстратов; повышенной устойчивости к изменяющимся условиям окружающей среды и антибактериальным агентам. Окружающая среда для микроорганизмов представляет собой не только совокупность определенных физико-химических условий среды обитания, но и наличие других микроорганизмов. Все это предопределяет сложность взаимоотношений микроорганизмов на различных уровнях существования и позволяет им выживать в самых неблагоприятных условиях благодаря способности адаптироваться к любым условиям окружающей среды, что является основной стратегией их поведения. При адаптации к среде обитания микроорганизмы используют механизмы на различных уровнях организации систем: надорганизменном (структурированность сообществ, фенотипическая гетерогенность и целостность культуры в процессе развития, симбиотические взаимодействия и др.), клеточном (наличие уникальных структур: гигантских вакуолей для запасания NO 3^- , капсул, слизистых образований и чехлов), экофизиологическом (способность к адгезии, колонизации, продукции физиологически активных веществ, синтезу антибиотиков, сидерофоров и др.) и молекулярно-биохимическом [11, 25].

Микроорганизмы обладают способностью формировать популяционные структуры, обладающие следующими экологическими свойствами [10, 12]: гетерогенностью и функциональной дифференциацией микробных клеток; наличием внутри популяции (колонии микроорганизмов) в той или иной мере обособленных микроколоний, т.е. формированием субпопуляций (микроколоний); целостностью свойств популяций как общими для всей системы структуры (межклеточный матрикс), так и

коллективным поведением клеток, включая про граммируемую к леточную гибель ради выживания всей системы; способностью популяции оценивать плотность микробных клеток и влиять на характеристики окружающей среды при достаточной плотности клеток в ней.

При лимитации используемых субстратов бактерии проявляют реакции хемотаксиса, демонстрируя такое радикальное изменение в поведении, как переход от свободного плавания клеток в жидкостях к роению на поверхности, тянущей подвижности, скольжению и др. [6, 22]. Так, лимит питательных веществ при выращивании Micrococcus luteus на бедной среде проявляется на ранних стадиях культуры, и приводит к тому, что для роста в лаг-фазе происходит криптический рост, что указывает на существование особой стратегии развития бактериальной популяции в неблагоприятных условиях, когда «альтруистическая» гибель клеток может являться фактором, обеспечивающим развитие популяции в целом [2].

Бактериальные клетки могут взаимодействовать друг с другом путем образования межклеточных контактов. Примером таких образований являются колонии, колониеподобные сообщества, биопленки, бактериальные маты и т.д. В таких сообществах существует клеточная гетерогенность [27]. В бактериальных колониях E.coli и Staphilococcus aureus одни клетки принимают участие в образовании наружной мембраны, защищающей колонию [26], другие активно делятся, некоторые лизируются [10]. При образовании биопленок у Pseudomonas aeruginosa часть клеток лизируется, что необходимо для нормального развития микроколоний в биопленке [28]. Бактериальные маты являются примером межвидового клеточного взаимодействия, когда продукты одного вида являются субстратом для другого [11].

Приспособительным механизмом биохимической адаптации бактерий является синтез экзопо-лисахаридов. Так, подобное явление проявляют аэротолерантные спирохеты при контакте клеток с внешней средой для снижения концентрации О 2 [6], автотрофные цианобактерии Nostoc muscorum при воздействии ионов Cd [1].

Неблагоприятные условия окружающей среды способны вызывать у многих бактерий переход в покоящееся состояние. В течение достаточно продолжительного времени покоящееся состояние у бактерий связывали со спорами, цистами и другими специализированными структурами. К настоящему времени способность переходить в покоящееся состояние установлена и у ряда неспорули-рующих бактерий [8, 20, 21, 23, 24]. Это состояние, характеризующееся снижением метаболической активности и полным отсутствием деления, является обратимым, и такие клетки сохраняют свою жизнеспособность в течение длительного времени и могут продолжить рост при наступлении благоприятных условий.

Многие бактерии, в том числе псевдомонады, в процессе роста могут расщепляться (диссоциировать) на варианты, которые различаются по физиолого-биохимическим и морфологическим признакам: морфологии колоний, устойчивости к внешним воздействиям, способности к синтезу практически важных веществ, интенсивности разрушения ксенобиотиков и углеводородов, требовательности к содержанию питательных веществ в среде [9, 18].

В ходе многолетних исследований природных и техногенных объектов (нефтезагрязненные почвенные территории в районе буровых скважин Калмыкии, очистные сооружения газо-химического комплекса (ГХК), резервуар-накопитель замазученных сточных вод), расположенных в зоне аридного климата, выявлены циано-бактериальные сообщества, включающие представителей нескольких трофических уровней (фотосинтетиков, бактерий, простейших), участвующих в трансформации загрязняющих веществ [3, 5, 13-15, 17].

Установлено [13-15, 17], что цианобактериальное сообщество на основе Phormidium tenuissimum , Synechocystis salina, Synechococcus elongates , выделенное из очистных сооружений ГХК, при внесении (как в живом виде, так и в виде высушенной биомассы) в нефтешламы и нефтезагрязненные почвы способствует формированию сбалансированного биоценоза бактерий, грибов и водорослей, обладающего более высоким биоде-градационным потенциалом, повышая эффективность очистки от нефтяных углеводородов , в том числе полиароматических.

При исследовании резервуара-накопителя сточных вод, образующихся при обезвоживании мазута, методом накопительных культур выделено цианобактериальное сообщество, эдификаторами которого являются цианобактерии: нитчатые Oscillatoria amphibian, Phormidium dimorphum и одноклеточные Synechocystis salina. Установлено [3], что использование циано-бактериального сообщества для очистки сточных вод способствует деградации нефтяных углеводородов, в том числе ПАУ, снижению оптической плотности и содержания растворенного органического вещества, повышая степень насыщения воды кислородом. В целом использование данного сообщества способствует детоксикации сточных вод, что создает предпосылки для разра- ботки рекультивации подобного рода сооружений с использованием циано-бактериальных сообществ.

Кроме этого, при изучении нефтезагрязненных почв получены накопительные культуры углеводо-родокисляющих бактерий, которые показали высокую активность в отношении деградации нефтяных углеводородов в почвах [16]. Установлено, что внесение накопительной микробной культуры в комплексе с минеральными удобрениями способствует очистке почвы от алифатических (99,8 %) и поли-ароматических (99,9 %) углеводородов в течение года. Изолированные из накопительных микробных культур в чистые культуры бактериальные штаммы, изучаемые в последующем, показали способность диссоциировать (расщепляться), различаясь по колониально-морфологическим и физиологобиохимическим свойствам [18].

Явление внутрипопуляционной изменчивости микроорганизмов способствует возникновению в микробиологических биотехнологиях особых ситуаций [9], т.к. любая культура способных расщепляться бактерий фактически является сообществом спонтанно возникающих диссоциантов. При этом активность диссоциантов, их физиологические особенности, влияющие на продуцирование биологически активных веществ, различны [4]. Под действием меняющихся условий внешней среды, которые являются селектирующими факторами, изменяется соотношение диссоциантов в популяции бактерий, что обусловливает снижение эффективности применения бактерий в биоремедиации, т.к. в популяции появляются неактивные варианты, различающиеся не только по морфологическим признакам, но и по требовательности к источникам питания, устойчивости к внешним воздействиям и интенсивности деградации ксенобиотиков, в том числе и нефтяных углеводородов [4].

Изучение углеводородокисляющей и эмульгирующей активности чистых бактериальных культур позволило подобрать оптимальные питательные среды для получения наиболее устойчивых диссо-циантов для проявления максимальной активности в отношении нефтяных углеводородов: S -типы B. cereus , Ps. aeruginosa и St. xylosus , R -тип B. firmus [7]. При этом выявлено, что наибольшей активностью среди изученных микроорганизмов в отношении нефтяных углеводородов, проявляя окислительные и эмульгирующие свойства, обладают штаммы, имеющие меньшее количество диссоциативных переходов.

Таким образом, на основании многолетних исследований природных и антропогенных экосистем, расположенных в зоне аридного климата, установлено, что наиболее перспективными для разработки способов биоремедиации нефтезагрязненных объектов являются сообщества аборигенных микроорганизмов, т.к. они наиболее устойчивы к действию как биотических, так и абиотических факторов среды благодаря способности адаптироваться на различных уровнях организации.