С И Рубцова, В Н Егорова - Влияние абиотических факторов на численность нефтеокисляющих бактерий в прибрежных районах черного моря - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 574:579.837.88(262.5)

С. И. Р У Б Ц О В А, В. Н. Е Г О Р О В

ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЧИСЛЕННОСТЬ НЕФТЕОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ В ПРИБРЕЖНЫХ РАЙОНАХ ЧЕРНОГО МОРЯ

Исследовано влияние абиотических факторов (температуры среды, гранулометрического состава донных осадков, общего содержания нефтяных углеводородов в морской воде и донных осадках, а также волнового перемешивания) на численность нефтеокисляющих бактерий в прибрежных рай­онах Черного моря (акватория Севастопольских бухт).

Самоочищение - комплексный процесс, протекающий под действием физиче­ских, химических и биологических факторов. Ведущая роль в самоочищении морской среды от нефти и нефтепродуктов принадлежит нефтеокисляющим микроорганизмам [3, 10]. При этом происходит увеличение их численности, что позволило рекомендовать бактерии, использующие углеводороды нефти в качестве единственного источника уг­лерода и энергии, как индикаторов нефтяного загрязнения [6, 9].

При изучении самоочищающей способности акватории от нефтяного загрязне­ния необходимо знать параметры всех факторов, участвующих в процессе самоочище­ния, и, в первую очередь, температуры, количества нефтяных углеводородов, а также других воздействий, обуславливающих те или иные условия для деятельности нефтео-кисляющих бактерий [3, 4]. В этой связи мы поставили перед собой цель проанализиро­вать влияние ряда абиотических факторов, таких как температура среды, гранулометри­ческий состав донных осадков, наличие взвешенных веществ, общее содержание нефтя­ных углеводородов в морской воде и донных осадках, а также волновое перемешивание на численность нефтеокисляющих микроорганизмов в прибрежной зоне Черного моря (акватория Севастопольских бухт).

Материал и методы. Материалом для изучения зависимостей между численно­стью нефтеокисляющих бактерий и количеством нефтяных углеводородов в воде и дон­ных отложениях в условиях изменения температуры и интенсивности перемешивания вод в результате ветрового волнения послужили наши данные, полученные с 2000 по 2003 гг. [14 - 16]. При определении численности нефтеокисляющих бактерий пользова­лись методом предельных разведений на среде Диановой-Ворошиловой с добавлением нефти, при определении общего количества нефтяных углеводородов - методом инфра­красной спектрофотометрии.

Результаты и их обсуждение. Нами была проанализирована динамика числен­ности гетеротрофных и нефтеокисляющих бактерий на полигонах в прибрежной аквато­рии Черного моря в районе Севастополя на основе материалов, собранных в 2000 - 2003 гг. Наибольшая численность гетеротрофных микроорганизмов на всех станциях отмече­на летом и в начале осени, что объясняется, по всей видимости, оптимальной для роста бактерий температурой воды и повышенными концентрациями органического вещества, наименьшая - в холодный зимний период [15]. Что касается нефтеокисляющих микро­организмов, то значительных колебаний динамики численности этой группы не отме­чено. Вместе с тем, на некоторых станциях (бухты Северная и Круглая) наблюдалось уменьшение их численности в зимнее время и увеличение в летний период. Полученные нами зависимости изменения численности нефтеокисляющих бактерий при различной температуре окружающей среды приведены на рис. 1 и 2.

Полученные нами данные согласуются с результатами других авторов. Однако некоторые вопросы до сих пор остаются дискуссионными. Ряд авторов [5, 21] утвер­ждают, что с понижением температуры снижается скорость биодеградации нефти, дру­гие считают, что нефтеокисляющие бактерии адаптируются к условиям низких темпе­ратур, вплоть до -2 0С, и интенсивно разлагают нефтяные углеводороды [20].

Экология моря. 2004. Вып. 66

© С. И. Рубцова, В. Н. Егоров, 2004

91кл7мл

1200 —

800

R=0.951

400

0

10

Т, 0С

20

30

Рисунок 1. Зависимость численности нефтеокисляющих бактерий от температуры морской воды

Figure 1. Dependence of oil-oxidizing bacteria number from seawater temperature кл/г 100000.000

10000.000 -d

1000.000

100.000

10.000

1.000

0.100 -J

0.010

0.001

0

10

Т, 0С

20

30

Рисунок 2. Зависимость численности нефтеокисляющих бактерий от температуры донных осадках

Figure 2. Dependence of oil-oxidizing bacteria number from bottom sediments temperature

Из полученных нами материалов, представленных на рис. 1, видно, что при очень высоком разбросе данных зависимость между численностью бактерий и темпера­турой среды характеризуется достаточно высокой степенью корреляционной связи (R=0.951). Анализируя полученные результаты в целом, можно отметить, что в обоих случаях с увеличением температуры повышается численность нефтеокисляющих бакте­рий. В то же время данные, представленные на рис. 2, позволяют предположить, что имеется предел этого увеличения, достигаемый при превышении температуры свыше 30оС. Наши наблюдения также показали, что снижение численности нефтеокисляющих бактерий в зимнее время не приводит к существенному замедлению процессов само­очищения и накоплению нефтяных углеводородов в морской воде и донных осадках. Содержание нефтяных углеводородов в прибойной зоне Севастопольских бухт в зимнее время лишь в 2 - 3 раза ниже, чем летом, что указывает на высокую активность нефтео-кисляющих бактерий по разрушению углеводородов нефти. Тот факт, что поступление нефтяных углеводородов в морскую среду в летнее время больше, чем в зимнее, объяс­няется обычно наблюдающимся увеличением антропогенной нагрузки на прибрежную зону в это время года.

Бактерии, находящиеся в морской воде, более чувствительны к изменению тем­пературы, чем бактерии в донных осадках (рис. 1, 2). Частицы взвеси являются субстра­том, на котором, как правило, поселяются микроорганизмы, и при этом повышается их метаболическая активность по разрушению органического вещества. В период перехода донных осадков со дна во взвесь и обратно возможны активные микробиологические процессы разрушения компонентов загрязняющих веществ органического происхожде­ния, включая нефть.

В прибрежной части моря, в зоне активных гидродинамических процессов, про­исходит взмучивание донных отложений, частицы которых являются субстратом для развития бактерий. В связи с этим, в мелководной зоне развитие бактерий, благодаря активности гидродинамических процессов, будет, по-видимому, иным, чем на больших глубинах, где гидродинамические процессы ослаблены.

Наличие нефти на дне является свидетельством хронического загрязнения мор­ской акватории. В результате физико-химических и биологических процессов, проте­кающих в донных осадках, а также при штормовой погоде, когда происходит взмучива­ние грунтов, нефть может повторно поступать в морскую воду (вторичное загрязнение). Даже после полного прекращения нефтяного загрязнения акватории нефть может дли­тельное время (годами) под действием волнового перемешивания поступать на поверх­ность моря вследствие ее наличия в грунте. В своих исследованиях мы изучали влиянию действия волн на динамику численности нефтеокисляющих бактерий.

На рис. 3 показаны осредненные данные по результатам многократных наблю­дений. Обращает на себя внимание очень высокая вариабельность данных. Тем не менее, полученные результаты не позволяют сделать вывод о непосредственном влиянии вол­нового перемешивания на изменение численности нефтеокисляющих бактерий в водной среде. По-видимому, для перемешивания вод достаточно интенсивности менее мас­штабных гидродинамических процессов, например, турбулентного водообмена и тече­ний.

Вопросы существования корреляционной связи между численностью нефтео-кисляющих бактерий и общим содержанием нефти в донных осадках активно дискути­руются в научной литературе [3, 11]. Нами была получена зависимость между численно­стью нефтеокисляющих бактерий и содержанием нефти в донных осадках, представлен­ная на рис. 4.

Данные, представленные на рис. 4, свидетельствуют, что с увеличением концен­трации нефтяных углеводородов удельное количество нефтеокисляющих бактерий (N) возрастает. Однако это возрастание ограничено некоторым максимальным уровнем (Nmax), который устанавливается при удельной массе нефти (S) в донных осадках, пре­вышающей 60 - 80 мг/г.кл/мл 800 -

400

0

I 1 I 1 I

048

Баллы (шкала Бофорта)

Рисунок 3. Зависимость между численностью нефтеокисляющих бактерий и волнением моря Figure 3. Dependence between oil-oxidizing bacteria number and heavy sea

N (кл/г)

100000.000

10000.000 -J 1000.000 -J

100.000 10.000 1.000

0.100 -J

0.010 0.001

N max

0 40 80 120

S (мг/г)

Рисунок 4. Зависимость численности нефтеокисляющих бактерий от содержания нефти в донных осадках

Figure 4. Dependence of oil-oxidizing bacteria number from the oil concentration in bottom sedi­ments

Обычно такого рода зависимости описываются уравнением Ленгмюра [12], ко­торое применительно к данному случаю имеет вид

Log ( N ):

к S Log (Nmax) 1 + к S

(1),

где k - параметр уравнения Ленгмюра (г/мг).

Для проверки адекватности аппроксимации результатов наблюдений уравнени­ем Ленгмюра применяется процедура оценки линейности расположения этих данных на прямой в координатах модифицированного уравнения Лайнуивера - Бэрка [13]

S

S

Log(N)      Log(Nmax) + к Log(Nmax)

1

(2)

Полученные нами данные были представлены в координатах модифицирован­ного уравнения Лайнуивера -Бэрка (рис. 5).

S/log(N) 20 —і

R2 = 0.865

10 —

Г

T

T

T

1/k

0 20 40 60

S, мг/г

Рисунок 5. Зависимость численности нефтеокисляющих бактерий от содержания нефти в донных осадках

Figure 5. Dependence of oil-oxidizing bacteria number from the oil concentration in bottom sedi­ments

Полученные результаты свидетельствуют, что зависимость между удельным ко­личеством нефтеокисляющих бактерий и концентрацией нефтяных углеводородов в донных осадках в координатах модифицированного уравнения Лайнуивера-Бэрка опи­сывается уравнением прямой

-S-= 0,245 • S + 0,702

Log(N)    ' '

(3)

при коэффициенте детерминации (R2 = 0.865), что позволяет принять гипотезу об адек­ватности применения уравнения Ленгмюра. Поэтому из формулы (3), с учетом выраже­ния (2), можно вычислить: log (N max) = 1/ 0.245 или N max = 12000 кл/ г.

Следует заметить, что из выражения (3) можно также оценить и величину k. Однако такая оценка будет смещенной. Это обусловлено тем, что при аппроксимации уравнением прямой членов выборки с логарифмами значений ординат условие мини­мума квадратов отклонений для разных значений абсцисс не выполняется.

В качестве условия для получения несмещенной оценки значения константы Ленгмюра k мы использовали известное обстоятельство [13], что величина 1/ k численно равна такому значению S, при котором N = 0.5 Nmax. По результатам осреднения данных, представленных на рис. 4, было получено, что величина N достигает уровня 0.5 Nmax при значении S = 40 мг/г, откуда k = 0.025 г/мг. Результаты табулирования функции (1) при значениях параметров N max = 12000 кл/ г и k = 0.025 г/мг нанесены на рис. 4 сплошной линией. В работах [7, 8] по микробному окислению нефтяных углеводородов авторы отмечают существование корреляционной связи между численностью углеводородокис-ляющих бактерий и общим содержанием нефти в морской среде. Но, в то же время, имеются работы [2, 17, 18], утверждающее обратное. Как показали исследования в рабо­те [1], и то, и другое воззрение, в известном смысле, верны. В целом наши данные, пред­ставленные на рис. 4 и 5, свидетельствуют, что зависимость между N и S проявляется при охвате наблюдениями широкого интервала измеряемых величин при логарифмиче­ском масштабировании оси ординат. В области малых значений концентрации нефтя­ных углеводородов в донных осадках количество субстрата лимитирует удельную чис­ленность нефтеокисляющих бактерий, а при больших значениях величины S (при S больше 40 мг/г) отмечается тенденция к ограничению их численности (N) за счет дости­жения предела насыщенности нефтяных углеводородов бактериями.

При увеличении уровня нефтяного загрязнения, наряду с численностью микро­организмов, растёт их родовое разнообразие. Это, по всей видимости, можно объяснить большой сложностью химического состава нефти, различные компоненты которой мо­гут потребляться только определёнными видами микроорганизмов. Нами отмечена за­кономерность между интенсивностью нефтяного загрязнения и количеством выделен­ных культур (рис. 6).

Анализ данных, приведенных на рис. 6, показывает, что при увеличении коли­чества нефтяных углеводородов в донных осадках родовое разнообразие нефтеокис-ляющих бактерий увеличивается с проявлением тенденции ограничения максимального количества культур. Общее количество нефтеокисляющих бактерий вдоль Севастополь­ского побережья, по нашим данным [14 - 16], в среднем не превышает 10 % от общего количества гетеротрофной микрофлоры. Примерно такие же соотношения установлены для вод Северного (10 %) [19] и Каспийского (8 %) [1] морей. Однако в местах сильного загрязнения нефтепродуктами донных осадков и в случаях аварийных разливов это со­отношение может возрасти до 80 %, а в некоторых случаях численность нефтеокисляю-щих бактерий может даже превышать содержание сапрофитной микрофлоры [19]. По нашим данным, в некоторых районах (бухта Круглая) численность нефтеокисляющих бактерий может составлять более 20 % от общего количества гетеротрофных микроор­ганизмов [15].

Наибольшее разнообразие родов нефтеокисляющих бактерий отмечено на стан­циях, расположенных в глубине бухт и подверженных сильному нефтяному загрязне­нию. Это станции, расположенные в бухтах Северная и Круглая (район вершины) [14].

Из прибойной зоны Севастопольских бухт нами выделено 12 родов нефтеокис-ляющих бактерий. Наибольшая встречаемость отмечена у представителей рода Pseudo-monas -54% выделенных культур, представители других родов встречались реже.

Число выделенных культур

30 -

20

10

20

40

60

мг/г

Рисунок 6. Зависимость количества выделенных культур нефтеокисляющих бактерий от содержания нефти в донных осадках

Figure 6. Dependence of oil-oxidizing bacteria cultures quantity from the oil concentration in bot­tom sediments

На долю микроорганизмов, отнесенных к роду Marinomonas, приходится 7 %, Azotobacter - 4 %, Erithrobacter - 5 %, Marinococcus - 6 %, Mezophilobacter - 6 %, Al-theromonas - 5 %, Bacillus - 5 %, Microbacterium - 4 %. Представители родов Arthorobac-ter, Micrococcus и Vibrio встречались в единичных случаях, и на их долю приходится около 1 % от всех родов микроорганизмов. Наибольшее число микроорганизмов выде­лялось в районах нефтяного загрязнения, при этом количество бактерий, растущих на нефти, доходило до 106 - 107 на 1 г донного осадка.

Нами проведен анализ корреляционной взаимосвязи между численностью гете­ротрофных и нефтеокисляющих бактерий, а также общим количеством углеводородов (табл. 1).

Таблица 1. Корреляционные зависимости между исследуемыми параметрами Table 1. Correlation dependences between researched parameters

 

ЧГБ*, кл/мл

ЧНБ*, кл/мл

Масса взве­си, г

НУ*, мл/л

Число частиц

ЧГБ*, кл/мл

1

0,52

0,59

0,20

0,70

ЧНБ*, кл/мл

 

1

0,42

0,62

0,41

Масса взвеси, г

 

 

1

0,90

0,62

НУ*, мл/л

 

 

 

1

0,96

Число частиц

 

 

 

 

1

* ЧГБ - численность гетеротрофных бактерий, ЧНБ НУ - общее количество нефтяных углеводородов.

численность нефтеокисляющих бактерий,

Из данных, приведенных в табл. 1, видны высокие значения коэффициентов кор­реляции между количеством нефтяных углеводородов и числом частиц, а также с мас­сой взвеси, соответственно равные 0,96 и 0,90, что дает основание утверждать о возмож­ности практически функциональной зависимости между этими параметрами.

0

Наши исследования в целом показали, что численность и количество выделяе­мых культур нефтеокисляющих бактерий зависят от удельной массы субстрата и темпе­ратуры окружающей среды. В то же время отмечено, что эти зависимости не линейны, а проявляется лимитирующее влияние повышенных значений температуры и количества нефтяных углеводородов на ограничение максимальной численности нефтеокисляющих бактерий. Эти данные могут быть использованы при оценке самоочищающей способно­сти морских акваторий от углеводородов нефти. Отмечено, что полученные величины могут существенно колебаться в зависимости от биотической и абиотической состав­ляющими морской среды. По-видимому, для более точных расчетов необходимы ком­плексные исследования, в том числе многофакторные эксперименты и систематические наблюдения в различных районах Черного моря, что позволит прогнозировать самоочи­щающую способность и возможные последствия влияния нефти на морские экосисте­мы.

Выводы: 1. Зависимость между численностью нефтеокисляющих бактерий и температурой среды характеризуется достаточно высокой степенью корреляционной связи (R=0.951). Установлен предел увеличения численности бактерий, достигаемый при превышении температуры 30оС. С уменьшением температуры численность нефтеокис-ляющих бактерий понижается, однако это не приводит к существенному замедлению процессов самоочищения и накоплению нефтяных углеводородов в морской воде и дон­ных осадках. 2. Полученные нами результаты не позволяют сделать вывод о непосредст­венном влиянии волнового перемешивания на изменение численности нефтеокисляю-щих бактерий в водной среде. По-видимому, для перемешивания вод достаточно интен­сивности менее масштабных гидродинамических процессов, например, турбулентного водообмена и течений. 3. Зависимость между численностью нефтеокисляющих бакте­рий и количеством нефтяных углеводородов проявляется при охвате наблюдениями ши­рокого интервала измеряемых величин при логарифмическом масштабировании оси ор­динат. В области малых значений концентрации нефтяных углеводородов в донных осадках увеличение количества субстрата приводит к увеличению численности нефтео-кисляющих бактерий, а при больших значениях (> 40 мг/г) отмечается тенденция к ог­раничению их численности за счет достижения предела насыщенности нефтяных угле­водородов бактериями. 4. При увеличении количества нефтяных углеводородов в дон­ных осадках, родовое разнообразие нефтеокисляющих бактерий увеличивается с прояв­лением тенденции ограничения максимального количества культур. 5. Отмечена высо­кая корреляционная связь между количеством нефтяных углеводородов и массой взвеси (R=0,90), что дает основание утверждать о возможности практически функциональной зависимости между этими параметрами.

1. Бутаев А. М., Кабыш Н. Ф. О роли нефтеокисляющих микроорганизмов в процессах само­очищения прибрежных вод Дагестанского побережья Каспийского моря от нефтяного загряз­нения // Вестник Дагестанского научного центра РАН. - 2002. - № 11.

2. Еремеева С. В., Курапов А. А., Мельников С. А. Современное экологическое состояние север­ной части Каспийского моря в зимне-весенний период // Вестн. МАНЭБ. - 1999. - № 9. - С. 51

- 55.

3. Израэль Ю. А., Цыбань А. В. Антропогенная экология океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -

528 с.

4. Копытов Ю. П., Миронов О. Г., Цуканов А. В. Влияние некоторых экофакторов на самоочи­щение морской воды от нефти // Водные ресурсы. - 1982. - № 2. - С. 129 - 136.

5. Коронелли Т. В., Ильинский В. В., Семененко М. М. Нефтяное загрязнение и стабильность мор­ских экосистем // Экология. - 1994. - № 4. - С. 78 - 81.

6. Миронов О. Г. О роли микроорганизмов, растущих на нефти, в сомоочищении и индикации нефтяного загрязнения в море // Океанология. - 1970. - 10, вып. 5. - С. 820 - 827.

7. Миронов О. Г. Нефтеокисляющие микроорганизмы в море. - Киев, 1971. - 226 с.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

С И Рубцова, В Н Егорова - Влияние абиотических факторов на численность нефтеокисляющих бактерий в прибрежных районах черного моря