Селекция и характеристика штаммов углеводородокисляющих и антистрессовых бактерий для повышения адаптационного потенциала растений

Из различных соединений серы в нефти наиболее часто обнаруживаются сероводород, меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, свободная сера. Сернистые соединения оказывают вредное влияние на живые организмы. Особенно сильным токсическим действием обладают сероводород и меркаптаны.

Ко второй гpуппе факторов принадлежат структура почвы, гpанулометрический состав, влажность почвы, активность микробиологических и биохимических процессов и др. Чем крупнее частицы почвы, тем легче нефть и нефтепродукты проходят внутрь ее, в ее нижние слои. От структуры почвы также зависит степень аэрации почвы, а следовательно, интенсивность испарения и окисления нефти. Влажная почва отталкивает гидрофобные нефть и нефтепродукты, препятствуя ее впитыванию [5].

К внешним факторам относятся температура воздуха, ветреность, ypoвень солнечной радиации и особенно доля ультрафиолетового излучения в свете, растительный покров и пр. Чем выше температура воздуха, тем выше скорость окислительных процессов, посредством которых разлагается на воздухе нефть. Соответственно в летнее время нефть быстрее разлагается: легкие фракции испаряются, тяжелые окисляются. Зимой, при отрицательной температуре, большинство тяжелых фракций переходят в твердое состояние и вообще не окисляются, поэтому основная часть (если не все) процессов разложения нефти и нефтепродуктов происходят именно летом. Ветер обдувает верхний слой почвы свежим воздухом, создавая динамически повышенную концентрацию кислорода над ней, способствуя окислению. К тому же ветер создает токи воздуха в воздушной системе почвы, по крайней мере той ее части, что осталась после загpязнения. Выветривание верхнего загpязненного и окисленного слоя также содействует дальнейшему очищению. Ультрафиолетовое излучение способствует окислительным реакциям и поэтому сильно ускоряет разложение нефти на поверхности земли и, особенно, на водных гладях [10]. 

При сильном нефтяном загpязнении растительный покров обычно вымирает. Однако, если загpязнение не очень велико, то он может способствовать очищению почвы. Образующийся от него за несколько лет растительный опад создает над загpязненным слоем чистый гyмусовый слой, богатый аэробной микрофлорой, которая может вести окисление лежащих ниже нефтепродуктов [11].

 

1.1.3 Предельно допустимые концентрации  загрязнений

 

Предельно допустимые концентрации нефтяных загрязнений в почвах зависят от вида нефтепродуктов (НП) и составляет для почвы 0,1 мг/кг. Однако ПДК суммарного содержания нефтепродуктов в почве не стандартизовано; установлены ПДК для некоторых видов нефтепродуктов: бензол – 0,3 мг/кг, толуол – 0,3 мг/кг, ксилол – 0,3 мг/кг [12].

Минимальный уровень содержания нефтепродуктов в почвах и грунтах, выше которого наступает ухудшение качества природной среды, рассматривается как верхний безопасный уровень концентрации (ВБУК). ВБУК нефтепродуктов в почвах зависит от сочетания многих факторов, таких как тип, состав и свойства почв и грунтов, климатические условия, состав нефтепродуктов, тип растительности, тип землепользования и др. Эти нормы должны различаться в зависимости от климатических условий и типов почвообразования.

Верхний безопасный уровень концентрации НП в почвах можно принять за ориентировочный уровень допустимой концентрации (ОДК) в почвах. Ориентировочным допустимым уровнем загрязнения почвы НП предлагается считать нижний допустимый уровень загрязнения, при котором в данных природных условиях почва в течение одного года восстановит свою продуктивность, а негативные последствия для почвенного биоценоза могут быть самопроизвольно ликвидированы. Такая оценка ОДК как общесанитарного показателя может быть дана для верхнего гумусо-аккумулятивного горизонта почв (примерно до глубины 20-30 см).

Вполне очевидно, что ОДК нефти и НП в почве не может быть единым для всех типов почв и природных зон. Он зависит от факторов, определяющих влияние вещества на свойства почв и растений, от потенциала самоочищения почв, от данного вида загрязнения [13].

 

1.2 Влияние нефти и нефтепродуктов на растения и почвенные микроорганизмы

 

1.2.1 Влияние нефтяного загрязнения на растения

 

На современном этапе развития общества растения испытывают разнообразные антропогенные воздействия, в ответ на которые они меняют стратегии поведения. Изменение стратегий поведения проявляется в возникновении механизмов адаптации к новым экологическим факторам на разных уровнях организации растений. Основным антропогенным фактором, оказывающим стрессовое воздействие на растения, является нефтяное загрязнение. Изучение адаптационных механизмов растений в ответ на действие нефти делает возможным выявление признаков, обеспечивающих устойчивость растений в условиях нефтяного загрязнения, с целью их использования в процессе разработки методов рекультивации и подборки для неё устойчивых к нефтяному загрязнению растений. Изучаемые признаки можно использовать как индикаторы для характеристики состояния почв при нефтяном загрязнении [14].

Опасность загрязнения нефтью и нефтепродуктами связана, прежде всего, с высокой чувствительностью к нему высших растений, при том, что они занимают ключевое положение практически во всех наземных экосистемах, определяя существование и состав остальных биологических компонентов биогеоценозов: животных и микроорганизмов.

Влияние нефти на растения обусловлено, как ее непосредственным токсическим воздействием, так и трансформацией почвенной среды [15].

 

Морфологические и анатомические изменения растений.

Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, метаболизм и развитие растений, подавляет рост надземных и подземных частей растений, в значительной степени задерживает начало цветения. Загрязненные нефтью цветки редко образуют семена [16].

Нефтяное загрязнение в значительной мере изменяет морфологию растения. Наблюдается уменьшение роста стебля в высоту, уменьшение его радиального роста, нефтяное загрязнение ингибирует ростовые процессы. В условиях загрязнения нефтью значительно снижается площадь ассимиляционной поверхности растений (у мезофитных и ксерофитных растений). Корневая система уменьшает свои размеры, меняет свою морфологию (переход от мочковатого типа корневой системы к стержневому). Прекращается формирование клубеньков и развитие корневых волосков.

Значительным изменениям подвергаются анатомические особенности растений. Увеличивается толщина листовой пластинки, исчезает кутикула, уменьшаются размеры клеток и количество хлоропластов. В корневой системе растений происходит утолщении эпидермы, увеличивается количество ксилемных элементов и размер центрального цилиндра, объем воздухоносных тканей. Размеры ксилемных элементов сокращаются, что обеспечивает корню более выгодный энергетически механизм поглощения и транспорта воды и минеральных элементов.

Изменения анатомии и морфологии органов направлены на создание защитных механизмов и выполняют компенсаторную функцию в ответ на нефтяное загрязнение. Ответная реакция растений на нефтяное загрязнение зависит от их принадлежности к экологической группе. Наблюдается усиление ксероморфных признаков у устойчивых к нефтяному загрязнению растений, что обеспечивает им защиту от токсического действия нефти.

В литературе отмечается различная реакция растений на нефть в зависимости от их биоморфы и систематической принадлежности [17].

В целом на нефтезагрязненых почвах у растений отмечаются следующие физиономические и фенологические отклонения от нормы:

1) появление гигантских и карликовых форм;

2) нарушение нормальных пропорций во внешнем облике растений;

3) возникновение наростов, наплывов, утолщений, придающих отдельным экземплярам уродливый облик;

4) нарушение нормального ритма развития (повторное цветение видов, нормально цветущих один раз в сезон);

5) сильная поврежденность растений вредителями [18].

Биохимические и физиологические изменения.

Нефтяное загрязнение почв в значительной мере влияет на уровни содержания фотосинтетических и флавоноидных пигментов в листьях растений.

У растений, произрастающих в условиях нефтезагрязнения, наблюдается снижение содержания всех фотосинтетических пигментов (хлорофилла а, хлорофилла b, каротиноидов) и возрастание количества флавоноидных соединений. Так же нефтяное загрязнение может способствовать накоплению антоциановых пигментов [14].

С ростом концентрации нефти в почве уменьшается содержание нитратов в корнеплодах, и заметно увеличивается концентрация витамина С. Повышение концентрации витамина в корнеплодах обусловлено ухудшением условий минерального питания расений.

На клеточном и физиологическом уровне воздействие углеводородов нефти на растения проявляется в нарушении структуры хлоропластов и фотосинтеза. Углеводороды повреждают мембраны хлоропластов, митохондрий, мембраны клеток корня. Растения, растущие при нефтяном загрязнении почвы, содержат значительно большее количество веществ со стресспротективными свойствами.

Поступая в клетки и сосуды растений, нефть вызывает токсические эффекты. Они проявляются в быстром повреждении, разрушении, а затем в отмирании всех живых, активно функционирующих тканей растений в вегетирующем состоянии [19].

Таким образом под действием нефтяных загрязнений в растениях происходят различные изменения как внешние, которые можно различить визуально, так и внутренние, которые можно обнаружить только с помощью специальных исследований и проведения ряда анализов.

Устойчивость растений к нефтяному загрязнению сильно зависит от стадии их развития и биомассы. Наиболее чувствительны к токсическому воздействию нефтепродуктов растения, находящиеся на ранних стадиях развития, а устойчивы - многолетние взрослые растения, так как у них происходит отрастание новых органов из спящих почек после гибели части растений после загрязнения [17].

Очевидно, что способность различных растений произрастать в условиях нефтяного загрязнения неодинакова. Выявление и изучение растений, способных не только произрастать на нефтезагрязненных почвах, но и способствовать их восстановлению  является важным аспектом для повышения эффективности очистки нефтезагрязненных почв [20].

 

1.2.2 Влияние нефтяного загрязнения на микробиологические процессы в почве

 

Процесс естественного фракционирования и разложения нефти начинается с момента ее поступления на поверхность почвы. Выделяют три наиболее общих этапа трансформации нефти в почвах:

1)       физико-химическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов;

2) микробиологическое  разрушение главным образом низкомолекулярных  структур разных классов, новообразование  смолистых веществ;

3) трансформация  высокомолекулярных соединений; смол, асфальтенов, полициклических углеводородов.

Длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет [21].

Загрязнение нефтью оказывает отрицательное воздействие на химические, физические и биологические свойства почв. Под влиянием нефти и ее компонентов изменяется численность микроорганизмов основных физиологических групп, ухудшаются агрофизические, агрохимические свойства почвы, снижаются активность окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов, обеспеченность почвы подвижными формами азота и фосфора [23].

На разложение нефти в почве решающим образом влияет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. На первой стадии изменение почвенной биоты характеризуется массовой гибелью мезо- и микрофауны; на второй стадии – «бумом» микробиологической активности специализированных микроорганизмов и последующей постепенной эволюцией биоценоза, коррелирующей с постоянно изменяющейся геохимической ситуацией в почве.

В работе Н. А. Киреевой показана токсичность ароматических углеводородов для микроорганизмов почвы и их негативное воздействие на ферментативную активность. Наиболее чувствительными к загрязнению ароматическими углеводородами являются нитрифицирующие и целлюлозоразрушающие микроорганизмы, которые могут служить индикаторами загрязнения почв [22].

Загрязнение нефтью существенно изменяет комплекс почвенных актиномицетов, снижая их численность и обедняя видовой состав. Кроме того, в загрязненной нефтью почве возрастает число фитопатогенных и фитотоксичных видов микроскопических грибов. Развитие фитотоксичных форм грибов может усилить отрицательное воздействие на почву нефтяного загрязнения.

Показано, что загрязнение нефтью приводит к существенному (на два порядка) снижению численности гетеротрофной части микробного комплекса, отмеченного на начальных этапах воздействия нефти. Через три месяца происходит восстановление численности гетеротрофов.

Первоначально, в интервале концентраций нефти соответствующих зоне гомеостаза (до 1 мл/кг), она не оказывает существенного влияния на почвенную микробиоту, выступает как биологический стимулятор. Более высокие дозы (зона стресса 1-30 мл/кг) приводят к необратимым изменениям микробиологических свойств почвы, а в дальнейшем, - к нарушению её водно-воздушного режима. Затем, в зоне резистентности, она становится основным трофическим субстратом для углеводородокисляющих микроорганизмов, одновременно угнетая жизнедеятельность других гетеротрофных микроорганизмов, растений и животных. Наконец, при ещё больших дозах, в зоне репрессии, нефть выступает как ингибитор биологической активности почвы.