Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние органических веществ на формирование биопленок в водных системах

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние органических веществ на формирование биопленок в водных системах"

На правах рукописи

Литвиненко Зоя Николаевна

ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ФОРМИРОВАНИЕ БИОПЛЕНОК В ВОДНЫХ СИСТЕМАХ

03.02.08 — Экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

з пар 2015

005559845

Хабаровск-2015

005559845

Работа выполнена в лаборатории гидрологии и гидрогеологии Федерально государственного бюджетного учреждения науки Институт водных экологических проблем ДВО РАН

Научный руководитель: Кондратьева Любовь Михайловна, докт

биологических наук, профессор, главный научн сотрудник лаборатории гидрологии гидрогеологии ФГБУН Институт водных экологических проблем ДВО РАН Официальные оппоненты: Дрюккер Валентин Валерьянович, докт

биологических наук, профессор, главный научн сотрудник лаборатории водной микробиолог Лимнологического института СО РАН (г. Иркутс Бузолева Любовь Степановна, док биологических наук, профессор кафедры биохим и микробиологии школы естественных н Дальневосточного Федерального университ (г.Владивосток)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджет!

учреждение науки Институт экологии и генет микроорганизмов УрО РАН, г. Пермь.

Защита диссертации состоится «21» апреля 2015 г. в 10 часов на заседа! диссертационного совета Д.005.019.01 при ФГБУН Институте водных экологических проблем ДВО РАН по адресу: 680000, г. Хабаровск, Дикопольцева, 56. Тел.: (4212) 22-75-73; факс: (4212) 32-57-55; е-п amur21@ivep.as.khb.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водньс экологических проблем ДВО РАН и на сайте http://ivep.as.khb.ru/.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Н.А.Рябинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Живые организмы определяют миграцию и дифференциацию химических элементов в биосфере. Главную роль в экологических процессах играют микроорганизмы, участвуя в передаче энергии и вещества в пищевых сетях и в биогеохимических циклах многих элементов (Вернадский, 2001). Нет ни одной природной или искусственной системы, лишенной микробной составляющей (Бутюгин, 2007; Кампер, 2012; Kim et al., 2013). Микроорганизмы быстро осваивают новые местообитания, адаптируются к чужеродным соединениям, нивелируют негативные антропогенные воздействия (Prakash, 2003; Steinberg, 2012).

Большинство микроорганизмов существуют в виде структурированных сообществ — «биопленок» («biofilms») (Николаев, Плакунов, 2007; Costerton et al.,

2007). Они образуются на биогеохимических барьерах и при достаточном количестве питательных веществ быстро разрастаются до макроскопических размеров (Flemming et al., 2000; Заварзин, Колотилова, 2001; Парфенова и др.,

2008). Формирование биопленок (БП) начинается с бактериальной адгезии и синтеза полимерного матрикса, выполняющего защитную функцию (Sutherland, 2001; Куюкинаи др., 2011; Flemming, 2011; Стрелкова и др., 2013).

БП могут быть индикаторами загрязнения поверхностных и подземных вод легкодоступными и стойкими органическими веществами (ОВ) различного происхождения, отражая самоочищающий потенциал и вторичное загрязнение водных экосистем (Davey, O'Toole, 2000; Кондратьева, 2005), а также могут являться причиной возникновения комплекса проблем при эксплуатации ирригационных систем (Zhou et al., 2014), зарастании порового пространства и кольматации скважин на водозаборах железосодержащих подземных вод, которые обусловлены недостаточной изученностью биогеохимических процессов и цикла железа, неразрывно связанного с преобразованием ОВ (Менча, 2006; Бондарева, 2009; Кармалов, Филимонова, 2011; Bhattacharyya et al., 2013). В связи с этим, исследования локальных экологических условий, абиотических и биотических факторов, влияющих на формирование биопленок на биогеохимических барьерах,

чрезвычайно актуальны для оценки самоочищения водных экосистем и прогнозирования биологического зарастания порового пространства водоносных горизонтов.

Цель исследования: оценить влияние органических веществ различного строения на образование биопленок in vitro микробными комплексами поверхностных и подземных вод.

Задачи:

1. Определить влияние температурного фактора на характер формирования биопленок и трансформацию гидрофобных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) микробными комплексами из различных местообитаний.

2. Выявить факторы, инициирующие способность микроорганизмов железосодержащих подземных вод к адгезии и формированию биопленок.

3. Оценить влияние легкодоступных азотсодержащих ОВ и стойких гуминовых веществ на образование биопленок микробными комплексами подземных вод.

4. Провести сравнительный анализ элементного состава биопленок микробных сообществ железосодержащих подземных вод на разных этапах их формирования.

Защищаемые положения:

1. Адаптация микробных комплексов к загрязнению среды обитания высокомолекулярными углеводородами, температурный фактор и адгезивная активность микроорганизмов влияют на процессы трансформации полициклических ароматических углеводородов.

2. Легкодоступные органические вещества и гидроксиды железа Fe(OH)3 могут выступать инициаторами формирования биопленок на биогеохимических барьерах водоносного горизонта.

3. Поступление в гумифицированные железосодержащие подземные водь легкодоступных азотсодержащих органических веществ провоцирует образован» биопленок в поровом пространстве и скважинах.

Научная новизна. Впервые показано, что в трансформации стойких углеводородов принимают участие бактериальные биопленки, которые при изменении температурного режима могут образовывать различные токсичные продукты, представляющие риск для гидробионтов. Экспериментально обоснованы предпосылки образования биопленок в поровом пространстве водоносного горизонта железосодержащих подземных вод и доказана их определяющая роль в трансформации органических веществ различного строения и происхождения.

Практическая значимость. Обнаруженные при трансформации ПАУ метилированные производные бензола могут выступать в качестве химических индикаторов загрязнения водных экосистем в зимнее время высокомолекулярными углеводородами различного происхождения. Полученные результаты исследований показали, что для контроля образования биопленок и поиска эффективных методов борьбы с биообрастанием необходимы глубокие исследования факторов, стимулирующих первые этапы бактериальной адгезии, и прежде всего предотвращение поступления органических веществ. Материалы, подтверждающие формирование биопленок при поступлении в железосодержащие подземные воды легкодоступных ОВ и гуминовых веществ, могут быть использованы для прогнозирования кольматации порового пространства у скважин при внедрении технологии обезжелезивания в пласте в различных регионах. Результаты исследования переданы в МУЛ «Водоканал» г. Хабаровска.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены и обсуждены на Всероссийских и международных научных конференциях: «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», 21-23 апреля, 2010 г. (Хабаровск); «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов», 24-28 августа, 2010 г., (Барнаул); «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», 20-22 апреля 2011 г., (Хабаровск); Третий Байкальский Микробиологический Симпозиум с международным участием: «Микроорганизмы и вирусы в водных экосистемах»,

3-8 октября, 2011 г., (Иркутск); «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы», 27 сентября - 2 октября, 2011 г., (Борок); 3rd Biohydrology conference «Water for life», 2013 (Landau, Germany); «Водные и экологические проблемы, преобразование экосистем в условиях глобального изменения климата», 29 сент.-З окт. 2014 г., (Хабаровск), а также на региональных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых в 2013, 2014 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ («Вода: химия и экология», «Биотехнология»),

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы (глава 1), описания объектов и методов исследования (глава 2), трех глав собственных исследований (главы 3, 4, 5), заключения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 239 наименований, из которых 111 на русском, 128 на английском языках. Объем работы составляет 141 страницу машинописного текста, в том числе 15 таблиц и 35 рисунков.

Личный вклад. Диссертант лично участвовал в проведении экспериментов, обработке и обобщении результатов, подготовке иллюстрационного материала, формулировке выводов в диссертации, материалах научных конференций и публикациях.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность за постоянную помощь, внимание и поддержку при выполнении работы научному руководителю — профессору, д.б.н, Л.М. Кондратьевой. Автор благодарит д.г.-м.н. В.В. Кулакова за ценные рекомендации и интерес к работе; В.Л. Рапопорт за помощь в идентификации продуктов трансформации ПАУ и B.C. Комарову за получение электронных изображений биопленок, а также сотрудников лаборатории гидрологии и гидрогеологии ИВЭП ДВО РАН за отбор проб воды (поверхностных, подземных) и донных отложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы. В главе проведен анализ влияния различных абиотических и биотических факторов на развитие БП; представлены материалы по истории использования термина «биопленка», особенностей ее строения и основных физиолого-биохимических характеристик представителей микробных пленок; рассмотрено участие БП в природных и технологических процессах.

Глава 2. Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были использованы микробные комплексы (МК) из различных местообитаний: вода и донные отложения (ДО), отобранные на разных участках р. Амур; подземные воды и обрастания из водозаборных скважин пилотной установки Тунгусского месторождения (Приамурье). Пробы воды и ДО были отобраны сотрудниками ИВЭП ДВО РАН во время комплексной экспедиции 2009 г. и в рамках проводимого мониторинга качества подземных вод (2011-2013 гг.). Экспериментальные работы проводили на базе лаборатории гидрологии и гидрогеологии ИВЭП ДВО РАН. Использовали стандартные в водной микробиологии методы культивирования микроорганизмов (Родина, 1965; Герхардт, 1983; Кузнецов, Дубинина, 1989). Все эксперименты проводили в трехкратной повторности. В качестве контроля использовали питательную среду с различными добавками, без внесения микробного инокулята. Адгезивную активность и образование биопленок исследовали при помощи метода «Стекла обрастания» (Намсараев и др., 2006). Для оценки влияния ОВ различного строения и происхождения на образование БП микробными комплексами из различных местообитаний была проведена серия экспериментов с легкодоступными азотсодержащими субстратами — пептон, дрожжевой экстракт (ДЭ); ПАУ - нафталин, фенантрен и трудноминерагтизуемыми гуминовыми веществами (ГВ).

Исследованы ответные реакции на условия культивирования более 100 микрокосмов и проведен анализ около 400 описаний; физиолого-биохимические

свойства 120 штаммов, выделенных из поверхностных, подземных вод и биообрастаний; выполнено более I ООО микробиологических посевов и анализов.

Микроскопия световая (микроскоп Imager-A2, Carl Zeiss) и электронная (EVO-40HV, Carl Zeiss) были проведены в Центре коллективного пользования при Институте тектоники и геофизики ДВО РАН. Электронные изображения получены в режиме вторичных электронов. Для определения элементного состава биомассы (биопленок) использовали кремний-дрейфовый рентгеновский детектор Х-МАХ 80мм2. Идентификацию продуктов трансформации ПАУ проводили методом хроматомасс-спектрометрии (GCMS-QP 2010 «Shimadzu») в аналитической лаборатории Хабаровского краевого центра экологического мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций.

Глава 3. Образование биопленок при трансформации гидрофобных углеводородов микробными комплексами поверхностных вод. Механизмы микробиологической трансформации ПАУ зависят не только от их строения, концентрации, растворимости, pH, температуры и др., но и от способности микроорганизмов синтезировать полимерные соединения, способствующие их адгезии (Рубцова, Куюкина, 2010; Серебренникова и др., 2014).

Существует множество предпосылок загрязнения р. Амур ПАУ: трансграничное загрязнение с сопредельных территорий Китая со стоком р. Сунгари; выбросы от энергетических источников, транспортных средств; лесные пожары (Кондратьева, 2005). В результате микробиологической трансформации ПАУ образуются токсичные промежуточные продукты, влияющие на санитарно-гигиеническую обстановку в водных экосистемах (Рапопорт, Кондратьева, 2008).

Для моделирования сезонной трансформации ПАУ (нафталин и фенантрен) были использованы МК из проб воды и ДО р. Амур, отобранных выше и ниже устья р. Сунгари, которые культивировали при разной температуре 23°С, 2°С, и смене температурного режима с 2°С до 23°С. В качестве добавок использовали 0,2% пептон и 3% NaCl.

Проведенные in vitro исследования показали, что трансформация нафталин: и фенантрена планктонными и бентосными МК сопровождалась изменением

цветности культуральной жидкости (КЖ), особенно в вариантах с пробами, отобранными ниже устья реки Сунгари. Изменение цветности КЖ сопровождалось образованием токсичных продуктов - метилированных производных бензола и 1,2-бензохинона, которые стимулировали продуцирование микробоценозами слизистого полимерного матрикса. Наиболее активный рост на фенантрене отмечен при температуре 23°С у бентосных микроорганизмов из проб ДО, отобранных ниже устья р. Сунгари. Он происходил, с образованием крупных слизистых биопленок, не распадающихся при встряхивании. Это может быть связано с адаптацией бактериобентоса к хроническому загрязнению местообитаний ароматическими углеводородами. Бактериобентос из проб ДО, отобранных выше устья р. Сунгари, развивался на частицах нафталина при разной температуре (23°С и 2°С), образуя длинные тяжи, распадающиеся при встряхивании. Это является показателем обратимой адгезии микробных комплексов, быстро реагирующих на стрессовые ситуации.

Внесение легкодоступных ОВ (пептон) и ЫаС1 оказывало существенное влияние на метаболизм ПАУ в зависимости от местообитания МК. Интенсивное образование слизистого матрикса биопленок на частицах субстрата и окрашивание КЖ цветными интермедиатами происходили при участии бентосных микробоценозов, сформировавшихся в зоне влияния р. Сунгари. Адгезивная способность у планктонных МК была менее выражена.

Изменение абиотических и биотических факторов оказывало существенное влияние на спектр образуемых продуктов при трансформации ПАУ. При низкой температуре (2°С) независимо от присутствия косубстрата и местообитания МК трансформация нафталина происходила с образованием м- и «-ксилолов (рис. 1). При 23°С диметилбензолы не накапливались. Максимальное содержание толуола было отмечено при трансформации нафталина при 23°С в присутствии дополнительного источника углерода (0,2% пептона) с участием бактериобентоса, испытывающего хроническое загрязнение в зоне влияния реки Сунгари. Такая ситуация может складываться в условиях летнего евтрофирования, когда в водной среде присутствуют азотсодержащие ОВ и ПАУ. Моделирование процессов

трансформации нафталина с участием МК позволило выявить вероятность образования in situ целого спектра производных бензола.

бактериобентос из разных местообитаний (выше и ниже устья р. Сунгари) при 23"С; 24, 26-то же при 2°С; 2, 6-то же в присутствии пептона при 23°С; 25, 27-тоже в присутствии пептона при 2°С.

!

Характер трансформации фенантрена пленками бактериопланктона из различных местообитаний также зависел от условий температурного режима, присутствия пептона и №С1 (рис. 2). Например, при низкой температуре в результате роста МК из проб воды, отобранных ниже устья р. Сунгари (рЬ 8), в КЖ накапливался нафтотиофен. При имитации в модельных условиях летнего евтрофирования (присутствие азотсодержащих ОВ), то же самое сообщество микроорганизмов формировало БП без образования нафтотиофена (рЬ 7). В аналогичных условиях МК из проб воды, отобранных на Нижнем Амуре, также были способны к трансформации фенантрена с образованием этого интермедиата (рЬ 9,10,11).

—рЬ 7

-рЬ 9 —рЫО

рЬ 11

1675 17 00 1 725 1750 17.75 18.00 18.25 189Э 18 75 1900

Рис. 2. Продукты трансформации фенантрена: рЬ 7- культивирование МК из зоны влияния р. Сунгари при 23°С (пептон + КаС1), рЬ 8 - то же при 2°С; культивирование МК с Нижнего Амура при 23°С: рЬ 9 - фенантрен; рЬ 10 -фенантрен + пептон; рЬ 11 — фенантрен + пептон + 3% ИаС1.

Экспериментально показано, что при участии биопленок механизмы трансформации ПАУ и образующиеся продукты существенно изменяются при смене экологических условий и адаптационного потенциала МК к загрязнению. В зимний период при загрязнении водных экосистем сложными ароматическими углеводородами существует риск образования метилированных производных бензола и мало изученных в токсикологическом плане веществ.

Глава 4. Экологические предпосылки образования биопленок в железосодержащих подземных водах. Железосодержащие подземные воды представляют собой сложную многокомпонентную систему, формирующуюся под влиянием многочисленных природных и антропогенных факторов (Кулаков, Кондратьева, 2008). Трансформация разных форм железа (Ре~+, Ре3+) в подземных водах происходит в результате биогеохимических процессов при участии железомарганцевых бактерий, которые участвуют в окислительно-восстановительных процессах, аккумулируют на поверхности клеток оксиды

И

трехвалентного железа и (или) образуют после отмирания оформленные осадки (Кармалов, Филимонова, 2011). В результате возникает комплекс проблем: коррозия металлического оборудования, кольматация порового пространства и скважин, ухудшение качества откачиваемой воды (Менча, 2006). Важным фактором, влияющим на формирование БП, является способность микроорганизмов продуцировать слизистые полимерные соединения (СПС), позволяющие им закрепляться на различных поверхностях, сохранять функциональную стабильность, а также выживать в различных экологических нишах (Соз1е11оп, 2007). В результате проведенных микробиологических исследований подземных вод и биообрастаний из скважин пилотной установки Тунгусского месторождения было выделено более 120 штаммов бактерий. Наиболее часто в БП встречались слизистые перламутровые и палевые колонии, которые в зависимости от состава питательной среды могли образовывать 8- и II-формы. Анализ активности их роста на рыбо-пептонном агаре (РПА) и РПА, разбавленном в 10 раз, показал, что в БП присутствуют микроорганизмы, продуцирующие слизистый матрикс при высоких и низких концентрациях ОВ (табл. 1). Среди выделенных штаммов более 75% обладали дополнительным защитным механизмом — каталазной активностью. Способность к образованию СПС при разных концентрациях ОВ и каталазная активность отражают их функциональное назначение для микробного консорциума - повышенную выживаемость в составе БП при экстремальных условиях.

Экспериментально показано, что присутствие в водоносном горизонте Ре(ОН)3 в совокупности с примесями ОВ может оказывать определяющее влияние на адгезивную активность микроорганизмов и образование БП. Независимо от условий культивирования, сообщество БП-8 активнее развивалось и продуцировало слизистый матрикс на частицах Ре(ОН)3, по сравнению с отдельным штаммом СаиЬЬасЬег ер. Т-20, входящим в его состав.

Таблица 1.

Характеристика роста штаммов, выделенных из биопленок

Биопленка Штаммы РПА:10 СПС РПА СПС Каталазная активность

БП-5 5-1 ++ - 1 1 1 1 1 1 1 1 ++

5-2 ++ +++ +++ +++ Mil

5-3 -ЬН- - +++ -н- +++

54 +++ +++ +++ - ++

5-5 +++ +++ +++ +++ ++

5-6 +++ - +++ - +

БП-8 8-1 + - + - +++

8-2 + - +++ - +

8-3 + - + - +++

8-4 - - + - -

8-5 +++ + +++ - +++

8-6 - - + - -

8-7 + - ++ - +

8-8 - - + - ++

8-9 + - + - ++

8-10 ++ - +++ - ++++

8-11 ++ - +++ - ++

Примечание: (+, ++, +++, ++++) - интенсивность роста, образования СПС и каталазной активности штаммов, (-) — отсутствие показателя.

Так, интенсивное образование микроорганизмами СПС происходило в присутствии ДЭ (рис. 3). При лимите ОВ, бактериальные клетки прикреплялись непосредственно на нерастворимых частицах Fe(OH)3. Электронное микроскогтирование и анализ элементного состава БП-8 показали, что в ее состав входили следующие элементы: С, О, Са, К, S, Al, Zr, Си, Сг, Мп и Fe. Разрыхленные остатки бактериальных чехлов на электронных изображениях и их элементный состав свидетельствуют о том, что клетки могли быть инкрустированы Fe(OH)3. Кроме того, в составе БП были обнаружены крупные кальцинированные глобулы (рис. 4). Их образование может быть связано с аккумуляцией на поверхности бактериальных клеток ионов кальция, которые увеличивают вязкость и эластичность биополимерного геля микробных пленок (Sutherland, 2001; Das et al., 2014).

Рис. 3. Электронное изображение БП-8 при различных условиях культивирования: А, В - в присутствии ДЭ; С - в присутствии 1;е(ОН)ч: О -

Ре(ОН)3 + ДЭ.

Рис. 4. Образование кальцинированных глобул в составе БП-8 через 60 суток

культив ирования.

Ярко выраженная инкрустация Ре(ОН)3 была отмечена на поверхности клето в монокультуре СшйоЪасгег ер. Т-20, развивающегося в присутствии ДЭ образования СПС. Возможно, что его сорбция на поверхности клеток тормозил их деление и препятствовала диспергированию в КЖ. В этом случае, наблюдал интенсивное образование осадка с богатым элементным составом. Разница развитии комплексной БП и отдельного штамма может быть обусловлен

И

сложной структурой МК, оптимально использующего все доступные источники питания и энергии, в том числе собственные биополимеры, которые обеспечивают им возможность выживания при дефиците питательных веществ в окружающей среде.

В результате длительного культивирования структурированного сообщества происходило дальнейшее восстановление Fe(OH)3, что подтверждается изменением окраски его частиц до бурого и черного цвета. В отдельных локусах БП-8 доминировали элементы Fe и S. Это может быть связано с активизацией процессов сульфатредукции и образованием сульфида железа (предшественника пирита). Аналогичные процессы могут происходить в поровом пространстве in situ, в результате которых складываются предпосылки для кольматации скважин на водозаборах подземных вод.

Глава 5. Влияние органических веществ на образование биопленок в подземных водах. Проведенные исследования показали, что OB являются важными регуляторами образования биопленок в подземной гидросфере. В присутствии азотсодержащих OB (NOB) возрастает роль бактерий, участвующих в цикле азота (аммонификаторы-нитрификаторы-денитрификаторы). При дефиците кислорода в нижних водоносных горизонтах существуют предпосылки для интенсификации процессов денитрификации и может происходить активная микробиологическая трансформация NOB.

Особое значение в подземных водах отводится гуминовым веществам. Их относят к биологически устойчивым высокомолекулярным соединениям, которые обладают повышенной комплексообразующей способностью и вносят существенный вклад в состав природных трудноминерализуемых OB (Wetzel, 2001; Kim et al., 2006; Перминова, 2008). Биосорбция на частицах ГВ выступает в качестве предварительного шага, предшествующего их ферментативному расщеплению, гидролизу и микробиологическому поглощению. Ключевыми факторами при это.м выступают способность микроорганизмов продуцировать внеклеточные полимеры и присутствие катионов Са2+ и Mg2+ (Esparza, Westerhoff, 2003; Rodrigues, 2010; Goode, Allen, 2011). Важное место занимают ионы железа,

образующие коллоидные соединения с ГВ в природных водах и в процесса водоподготовки (Букреева и др., 2009; Шиян и др., 2013).

В эксперименте со стеклами обрастания установлено, что наиболее активно образование рыхлых БП различными МК подземных вод происходило npi утилизации легкодоступных NOB (варианты I, III), независимо от присутстви: растворимых ионов железа (рис. 5). \

БП - 8 2-1

vim rseuaomonas s 11 iii ?■ iv 1 ii i-L iii iv

i&og&A, .;.? « L il «bse

Рис. 5. Образование модельных биопленок на предметных стеклах микробоценозами из подземных вод и биообрастаний при различном составе питательной среды (окраска по Граму): (I - пептон+ Ре804; II - ГВ+ Ре504, III-

пептон, IV-ГВ).

Ярко выраженные тонкие БП формировались при культивировании МК гуминовыми веществами без участия ионов железа независимо от места отбор проб воды. Есть основание предполагать, что ГВ активно используютс микроорганизмами в качестве источника углерода и способствуют образований БП в подземных водах. Такая ситуация может складываться в околоскважинно! пространстве при использовании внутрипластовой технологии обезжелезивания

деманганации подземных вод. В варианте II (I "В+БеБО^ отсутствие БП объясняется возможным блокированием ионами железа доступности ГВ для микроорганизмов, и их переходом из растворенного состояния в хелатньте комплексы с последующим осаждением. Окраска по Граму прикрепленных к стеклу клеток показала, что в структуру БП, образованной МК из верхних слоев водоносного горизонта входили Грам(-) бактерии, а микробоценозы из нижнего слоя водоносного горизонта были представлены Грам(+) и Грам(-) бактериями. При микроскопировании БП установлено, что различные по морфологии бактериальные клетки из модельных микрокосмов были окружены слизистыми капсулами, на их поверхности была визуально заметная инкрустация Ре(ОП)5 охристого цвета (рис. 6).

Рис. 6. Микроорганизмы биопленок обрастания: А - вариант IV (ГВ), скважина 21; Б - вариант II (rB+FeS04), скважина 2-1; В - вариант I (n+FeS04), скважина 21; Г - вариант III (П), скважина 2-3.

Эффекты инкрустации поверхности бактериальных клеток ионами железа были подтверждены при анализе электронных изображений биопленки БП-8, на разных фазах роста (рис. 7).

Рис. 7. Электронное изображение 7- и 30- суточной БП-8 при культивировании не

пептоне в присутствии Бе2+.

На ранних этапах формирования БП-8 бактериальные клетки находились стадии активного деления и были плотно упакованы в слизистый матрикг Биомасса 7-суточной культуры имела богатый элементный состав, однак соединения железа в этот период в ней практически отсутствовали (табл. 2 Около 94 % элементного состава БП было представлено углеродом, азотом кислородом. Спустя 30 суток БП стали зернистыми, клетки были погружены слизистую массу и инкрустированы Бе(ОН)31 по всем локусам исследуемоп образца присутствовали ионы железа и их концентрация в составе БГ существенно увеличилась.

Таблица 3

Элементный состав разновозрастных БП-8 (весовой %).

Элемент 7 суток 30 суток

С 58,04-59,74 52,35-54,38

N 12,01-14,50 10,66-12,21

О 24,58-26,60 28,09-29,84

N3 0,18-0,24 0,18-0,22

мё 0,11-0,17 -

0,08-0,09 0,14-0,17

Р 0,63-0,93 -

Б 0,31-0,38 0,36-0,52

К 0,12-0,16 0,07-0,12

Са 0,17-0,33 -

Ре 0,15 3,75-5,87

Мп - 0,16-0,27

Таким образом, методы световой и электронной микроскопии позволили определить основные этапы развития биопленок в поровом пространстве водоносного горизонта и особенность аккумуляции различных элементов (Fe, Мп, Са) в сформировавшейся биомассе. Экспериментально показано, что поступление легкодоступных NOB в гумифицированные железосодержащие подземные воды, провоцирует развитие биопленок, которые могут выступать в роли ведущего фактора кольматации скважин и порового пространства водоносного горизонта.

ВЫВОДЫ

¡.Экспериментально установлено, что в трансформации гидрофобных ароматических углеводородов принимают участие бактериальные биопленки, способные к синтезу полимерных соединений и адгезии на поверхности взвешенных частиц. При разложении нафталина и фенантрена в водной среде накапливаются растворимые промежуточные продукты, которые могут влиять на цветность воды и вызывать вторичное загрязнение водных экосистем. Впервые показано, что при низких температурах трансформация ароматических углеводородов при участии микробных комплексов сопровождается образованием токсичных метилированных производных бензола, которые выступают факторами экологического риска для гидробионтов в зимний период.

2. В железосодержащих подземных водах определяющими предпосылками образования биопленок служат: присутствие органических веществ различной степени биодоступности (азотсодержащие и гуминовые вещества); способность микроорганизмов продуцировать внеклеточные полимеры и аккумуляция гидроксидов железа на поверхности клеток. Защитную функцию, препятствующую разрушению биопленок, выполняют полимерный матрикс и каталазная активность микроорганизмов. При неблагоприятных условиях и дефиците ОВ экзополимерный матрикс поддерживает жизнеспособность членов микробного сообщества водоносного горизонта во времени.

3. При загрязнении гуминоеодержащих подземных вод быстро разлагаемыми OB существует риск интенсивной кольматации порового пространства вокру скважин, что может привести к снижению эффективности откачки водь Бактериальные клетки и продукты их жизнедеятельности, входящие в соста биопленок, могут снижать качество воды, прошедшей обезжелезивание водоносном пласте.

4. Биопленки, содержащие в своем составе ионы Са2+, Mn2+, Fe3+, могу составлять основу для образования кристаллических, железосодержащи биоминералов, которые в дальнейшем могут вовлекаться в более длительны биогеохимические процессы и заполнять поровое пространство. Ограничен роста биомассы обрастаний представляет собой важнейшую стратегию борьбы биопленками.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК:

1. Кондратьева Л.М., Литвиненко З.Н., Морозова О.Ю. Роль биопленок трансформации гидрофобных ароматических углеводородов//Вода: химия экология. 2013. № 5. С. 51-58.

2. Кондратьева Л.М., Литвиненко З.Н. Формирование биопленок микробным комплексами подземных вод in vitro// Биотехнология. 2014. № 3. С. 73-82.

Статьи, опубликованные в материалах научных конференций:

3. Кондратьева JI.M., Матрошилова О.Ю., Литвиненко З.Н. Исследован самоочищающей способности реки Амур от стойких ароматическ углеводородов// Научно-технические проблемы транспорта, промышленное и образования: Труды Всероссийской научно-практической конференции/ П ред. О.Л. Рудых. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. Т, 6. С. 28-32.

4. Матрошилова О.Ю., Ширшова Е.В., Литвиненко З.Н. Микробиологическ трансформация нафталина при различных температурах// Фундаментальнь проблемы воды и водных ресурсов: Материалы III всероссийск конференции. Барнаул: Изд-во APT, 2010. С. 176-179.

5. Кондратьева JT.M., Морозова О.Ю., Литвиненко З.Н. Роль биосорбции в трансформации гидрофобных ароматических углеводородов// Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: Труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2011. Т. 3. С. 85-89.

6. Морозова О.Ю., Литвнненко З.Н. Формирование биопленок при трансформации фенантрена бактериобентосом реки Амур// Микроорганизмы и вирусы в водных экосистемах: Материалы 3-го Байкальского Микробиологического Симпозиума с международным участием. Иркутск: Издательство Института географии СО РАН, 2011. С. 90-92.

7. Кондратьева J1.M., Морозова О.Ю., Литвиненко З.Н. Роль биопленок в трансформации стойких ароматических углеводородов// Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы: Материалы IV всероссийской конференции по водной экотоксикологии. Борок: Изд-во ИБВВ, 2011. Часть 1. С. 22-26.

8. Kondratyeva L., Litvinenko Z. Transformation of hydrophobic hydrocarbons by biofilms of bacteriobenthos// Abstracts International conference Biohydrology 2013. Bio meets Hydrology «Water for life». Germany Landau/Pfalz, 2013. P. 59.

9. Литвиненко З.Н. Влияние ионов железа на характер развития биопленок// Актуальные проблемы биологических наук. Материалы I межрегиональной молодежной школы-конференции. Владивосток: «Русский остров», 2013. С. 164-168.

10. Литвнненко З.Н. Влияние гуминовых веществ на микробные комплексы подземных вод// Материалы Всероссийской Конференции «Водные и экологические проблемы, преобразование экосистем в условиях глобального изменения климата». Сборник докладов [Электронный ресурс]. Хабаровск: ИВЭП ДВО РАН, 2014. С. 111-114.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Терминология

1.2 Структура и формирование биопленок

1.2.1 Структура и формирование биопленок

1.2.2 Стадии формирования биопленок

1.2.3 Социальное поведение микроорганизмов в биопленке

1.3 Факторы, влияющие на образование биоштенок

1.3.1 Биотические факторы

1.3.2 Абиотические факторы

1.4 Физиолого-биохимическая и экологическая активность биопленок

1.5 Участие биопленок в формировании биоминералов

1.6 Практические проблемы биологического обрастания ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объекты и место исследования

2.2 Материалы исследования

2.3 Микробиологические исследования

ГЛАВА 3. ОБРАЗОВАНИЕ БИОПЛЕНОК ПРИ ТРАНСФОРМАЦИ ГИДРОФОБНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ МИКРОБНЫМИ КОМПЛЕКСАМ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

3.1 Загрязнение реки Амур полициклическими ароматическил углеводородами

3.2 Активность микробиологической трансформации нафталина и фенантре на трансграничном участке р. Амур

3.2.1 Развитие микробных комплексов на нафталине

3.2.2 Развитие микробных комплексов на фенантрене

3.3 Продукты трансформации нафталина и фенантрена

ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОБРАЗОВАНИЯ БИОПЛЕН( В ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

4.1 Роль микроорганизмов в миграции ионов железа

4.2 Физиолого-биохимические характеристики штаммов, выделенных из биопленок

4.3 Образование биопленок в присутствии органических веществ и Fe(OH)3

4.4 Анализ электронных изображений и элементного состава биопленок ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОБРАЗОВАНИЕ БИОПЛЕНОК В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

5.1 Загрязнение подземных вод органическими веществами

5.2 Сезонная динамика численности физиологических групп в подземных водах

5.3 Особенности роста микробоценозов из подземных вод на пептоне и гуминовых веществах

5.4 Формирование биопленок микробоценозами подземных вод in vitro ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Литвиненко Зоя Николаевна

ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ФОРМИРОВАНИЕ БИОПЛЕНО

В ВОДНЫХ СИСТЕМАХ

Автореферат

Подписано к печати 10.02.15 г. Тираж 120 экз.

Отпечатано в ГОУ ВПО ДВГГУ. 680000, Россия, г. Хабаровск, ул. К.Маркса, 68.