Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологический механизм действия глюкозы на активность углеводородокисляющих микроорганизмов в почве

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Волде, Марианна Исааковна

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.

1. Обзор литературы.

1.1. Повреждающее действие нефти на почву.

1.1.1. Модифицирующее воздействие нефти на основные свойства почвы.

1.1.2. Концентрационный эффект воздействия нефтяного загрязнения на почвенную микробиоту.

1.1.3. Химическая специфичность действия углеводородов нефти на почвенные микроорганизмы.

1.2. Биохимические механизмы трансформации углеводородов микроорганизмами.

1.2.1. Особенности транспорта углеводородов в клетки углеводородокисляющих микроорганизмов и их морфология.

1.2.2. Механизмы потребления углеводородов индивидуальными микроорганизмами.

1.2.3. Механизмы сопряженного метаболизма сообществом микроорганизмов.

1.3. Особенности развития углеводородокисляющих микроорганизмов.

1.3.1. Распространение микроорганизмов-деструкторов нефти.

1.3.2. Условия существования как регулирующие факторы.

1.3.3. Биотехнология рекультивации нефтезагрязненных почв.

Физико-химический этап.

Микробиологический этап.

Заключительный этап.:.

1.4. Регуляторное действие глюкозы на активность микроорганизмов.

1.4.1. Катаболитная репрессия синтеза ферментов.

1.4.2. Пролонгированная катаболитная репрессия синтеза ферментов в почве.

1.4.3. Смерть, ускоренная субстратом.

1.4.4. Многосубстратное лимитирование.

Экспериментальная часть.

2. Объекты и методы исследования.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Методы исследования активности микроорганизмов in vitro.

2.2.1. Культуральные свойства.

2.2.2. Физиологические свойства.

2.2.3. Электронная микроскопия.

2.3. Методы исследования активности микроорганизмов in situ.

2.3.1. Индикация микробного сообщества почвы.

2.3.2. Идентификация микробных культур.

2.3.3. Физиологическая активность.

2.4. Использование электронно-вычислительной техники.

3. Результаты исследования.

3.1. Исследование микробиологических свойств почв.

3.1.1. Изучение почвенных бактериальных колоний, инициированных нефтью и нефтепродуктами.

3.1.2. Идентификация микробных культур.

3.1.3. Влияние глюкозы на активность углеводородокисляющих микроорганизмов в сероземе, загрязненном нефтепродуктами.

3.2. Исследование физиологических свойств микроорганизмов в почве.

3.2.1. Изучение влияния нефтепродуктов на дыхательную активность типичного серозема.

3.2.2. Изучение влияния глюкозы на дыхательную активность типичного серозема, загрязненного дизельным топливом.

3.2.3. Изучение влияния различных доз глюкозы на прорастание семян тест растения.

3.3. Исследование физиологических свойств микроорганизмов в чистых культурах.

3.3.1. Подбор условий для изучения активности углеводородокисляющих микроорганизмов.

3.3.2. Изучение влияния глюкозы на активность углеводородокисляющих родококков.

3.3.3. Изучение влияния масляной кислоты на ассимиляционную активность родококков.

3.3.4. Изучение влияния масляной кислоты на диссимиляционную активность родококков.

3.3.5. Изучение действия рН на дыхательную активность углеводородокисляющих родококков.

3.3.6. Изучение влияния масляной кислоты на жизнеспособность родококков.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологический механизм действия глюкозы на активность углеводородокисляющих микроорганизмов в почве"

Актуальность темы. Нефть и нефтепродукты относятся к приоритетным загрязнителям биосферы. Аварийные разливы нефти превращают почвы в техногенные пустыни. Вследствие того, что масштабы нефтяных загрязнений огромны (Пиковский, 1993; Яблоков, 1995; Shukla, 1990), а процесс самоочищения нефтезагрязненных почв затягивается на 10-25 лет (Оборин и др., 1988; Пиковский, 1993) исключительную важность приобретает проблема совершенствования биотехнологии рекультивации почв. При этом, несмотря на имеющиеся достижения в этом направлении (Мурзаков и др., 1992; Воронин, Старовойтов, 1994; Емцев и др., 2000; Atlas, Bartha, 1992; Chen, 1992), проблема восстановления нефтезагрязненных почв по-прежнему далека от своего окончательного решения. Поэтому совершенствование способов очистки поврежденных почв остается важной биотехнологической задачей, решение которой невозможно без познания особенностей микробной утилизации углеводородов нефти в почве. В ряде обзоров М.А. Глазовской (1988), Р. Атласа и Р. Барта (1992) и некоторых других обобщены материалы по исследованию влияния различных экологических факторов на этот процесс. Однако многие вопросы остаются неизученными.

Одной из основных особенностей почвы как среды обитания микроорганизмов является то, что в ней одновременно протекают самые разнообразные процессы, которые в той или иной степени взаимосвязаны между собой. Доминирующим в почве является процесс микробной утилизации углеводов, составляющих большую часть растительного опада. Имеющиеся в литературе отрывочные и противоречивые сведения не позволяют оценить значение взаимосвязи процессов утилизации углеводов и углеводородов (Гусев и др., 1980, Исмаилов, 1983). Однако известно, что в процессе разложения углеводов в почву попадает много промежуточных соединений, часть из которых физиологически активна и составляет пул микробных метаболитов (Звягинцев, 1987). Познание механизмов взаимосвязи позволит более осмысленно применять эмпирически подобранные отдельные биотехнологические операции и совершенствовать процесс рекультивации нефтезагрязненных почв.

В связи с этим целью настоящего исследования было установление механизма взаимосвязи процессов микробной утилизации углеводов и углеводородов в почве.

Поставленная в работе цель достигалась путем последовательного решения следующих задач:

1. Подбор условий для исследования активности углеводородокис-ляющих микроорганизмов.

2. Сравнение влияние глюкозы на активность углеводородокисляю-щих микроорганизмов in situ и in vitro.

3. Выявление особенностей влияния масляной кислоты на активность углеводородокисляющих микроорганизмов.

Научная новизна исследования состоит в том, что впервые экспериментально показано опосредованное воздействие глюкозы на активность углеводородокисляющих микроорганизмов в почве. В результате масляно-кислого брожения этот углевод трансформируется в масляную кислоту, которая при концентрации 1 мг/мл и более снижает метаболическую активность углеводородокисляющих родококков и переводит их в состояние покоя.

Практическая значимость проведенного исследования состоит в том, что вскрытый механизм взаимосвязи процессов разложения углеводов и углеводородов в почве может быть полезен при оптимизации биотехнологической очистки нефтезагрязненных почв. Комплекс рекультивацион-ных мероприятий должен включать в себя интенсификацию процессов минерализации углеводов в почве и исключать условия, благоприятные для их брожения. 7

Автор выражает искреннюю благодарность к.б.н. J1.B. Лысак за помощью при идентификации почвенных бактерий, к.б.н. И.С. Куличевской за помощь в освоении инструментальных методов определения активности микроорганизмов, к.б.н. B.C. Соиной за помощь в освоении электронно-микроскопических методов исследования микроорганизмов.

Работа выполнена при финансовой поддержке ГНТП России "Новейшие методы биоинженерии", основное направление "Биотехнология защиты окружающей среды" и Российского фонда фундаментальных исследований.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Обзор литературы

Нефть и нефтепродукты в эпоху научно-технической революции оказывают непрерывно возрастающее влияние на биосферу нашей планеты (Квасников, Клюшникова, 1981). В условиях повышенного антропогенного воздействия состояние почвенных микроорганизмов является важным показателем, регистрирующим ухудшение свойств почв, что позволяет использовать их в качестве индикаторов на ранних стадиях диагностики степени загрязнения биогеоценозов (Гузев, Левин, 2001).

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Волде, Марианна Исааковна

3. Результаты исследования

3.1. Исследование микробиологических свойств почв

В настоящем разделе представлены материалы по изучению влияния нефти и нефтепродуктов на сапротрофный бактериальный комплекс образцов чернозема, серозема и дерново-подзолистой почвы.

3.1.1. Изучение почвенных бактериальных колоний, инициированных нефтью и нефтепродуктами

Общее число бактериальных колоний на поверхности почв, загрязненных сырой нефтью, бензином, дизельным топливом и моторным маслом, представлено в табл. 3.1. Поллютанты испытывали в концентрации 10%. Именно в этой дозе, согласно предшествующим исследованиям (Ха-лимов, 1996), нефтепродукты губительно действовали на типичную почвенную сапротрофную микробиоту и стимулировали развитие лишь рези

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Волде, Марианна Исааковна, Москва

1. Абу Эль-Нага С.А., Паников Н.С., Звягинцев Д.Г. Критический анализ кривых дыхания почв, обогащенных глюкозой // Вестн. Моск. ун-та. 1983. Сер. 17. № 4. С. 40-48.

2. Алиев С.А., Гаджиев Д.А. Влияние загрязнения нефтяным органическим веществом на активность биологических процессов почв // Изв. АН. АзССР. Сер. биол. наук. 1977. №2. С. 46-49.

3. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования. Л. Наука, 1980. 187 с.

4. Барышникова Л.М., Соколова Л.М., Головлев Е.Л. Регуляция систем транспорта углеводов у Rhodococcus minimus на уровне синтеза белка//Микробиология. 1992. Т.61. С. 781-785.

5. Барышникова Л.М., Чемерис H.A., Головлев Е.Л. Глюкозный эффект в регуляции транспорта глюкозы клетками Rhodococcus minimus 11 Микробиология. 1994. T.63. № 3. С. 405-410.

6. Безбородов A.M., Астапович Н.И. Секреция ферментов у микроорганизмов. М.: Наука, 1984. 70 с.

7. Бердичевская М.В. Экология углеводородокисляющих бактерий нефтяных пластов Пермского Прикамья. Автореф. канд. дисс. биол. наук. М.: Изд-во МГУ, 1983. 24 С.

8. Бирюзова В.И. Мембранные структуры микроорганизмов. М.: Наука, 1973. 136 с.

9. Бирюков В.В., Кантере В.М. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза. М.: Наука, 1985. 292 С.

10. Борзенков И.А., Ибатуллин P.P., Милехина Е.И. и др. Использование микроорганизмов при ликвидации нефтяных загрязнений почв. Тез. докл. конф. Интродукция микроорганизмов в окружающую среду // М.: ПНЦ РАН, 1994. С. 14-15.

11. Вызов Б.А. Особенности разложения углеводных полимеров в почве. Автореф. канд. дисс. М.: Изд-во МГУ, 1986. 25 с.

12. Вызов Б.А., Гузев B.C., Звягинцев Д.Г. Особенности пролонгированной катаболитной репрессии в почве // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. N 3. Почвоведение, 1988. С. 38-43.14