Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН

А.Ф. Науменко
МИКРОФЛОРА ЭКОСИСТЕМ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА И СЕВЕРНОЙ НОРВЕГИИ
Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН
Горные выработки представляют собой уникальный объект для биологического исследования,
являясь относительно обособленными и замкнутыми экосистемами с целым рядом специфических
особенностей. Из таких черт можно особо выделить: низкое содержание элементов питания, постоянную
темноту, отсутствие (или крайне низкую) циркуляции воздуха, что влечет, в свою очередь,
относительное постоянство влажности и положительных температур. В таких условиях доминантными,
и, как правило, единственными формами жизни являются микроорганизмы – микроскопические грибы,
бактерии, актиномицеты. Занесенные из поверхностных сред при разработке месторождений,
микроорганизмы могут приспосабливаться к вышеперечисленным условиям и существовать в них
весьма продолжительное время, формируя уникальные микробные сообщества.
Знания микробиологии глубинных местообитаний необходимы для понимания факторов,
контролирующих окислительно-восстановительные превращения, влияющие на геофизические свойства
подземных сред. Глубоко залегающие подземные запасы воды также могут подвергаться воздействию
антропогенных факторов, поэтому необходимо оценивать активность микроорганизмов, способных
уменьшить такое загрязнение вод, влиять на органическое и неорганическое состояние грунтовых вод.
Деятельность микроорганизмов влияет на химический состав многих грунтовых вод, увеличивая
концентрации растворенного в них железа, приводит к образованию метана, сероводорода, образованию
пор в карбонатных водоносных слоях.
Одной из актуальных проблем для Кольского Севера является захоронение отходов ядерного
топлива. В качестве резервуаров для этой цели предлагаются отработанные шахты, микробиологическая
характеристика которых является непременным условием работ. Научный подход к концепции хранения
отходов ядерного топлива охватывает всестороннее изучение окружающих геохимических условий,
которые включают состав скальных пород и подземных вод, их взаимодействие с учетом антропогенных
факторов, химических воздействий и активности микроорганизмов. Особое внимание следует уделять
сульфатредуцирующим бактериям в подземных водах. Постройка подземных саркофагов может
интенсифицировать нежелательные микробиологические процессы, например мобилизацию некоторых
элементов, микроорганизмы могут также образовывать биопленки, разрушая подземные сооружения
(Gascoyne M., 1996).
С другой стороны, отмечена потенциальная возможность использования микроорганизмов для
утилизации радиоактивных отходов в геологических хранилищах (Watanabe Y., 1997). При этом исходят
из следующих предпосылок: микробная коррозия металлов, выделение газов, удаление радиоактивных
отходов, уменьшение коэффициента распространения в результате формирования коллоидов. С другой
стороны, улавливание нуклидов микробными фильтрами или поглощение газов рассматриваются как
ожидаемый эффект безопасной утилизации.
В нашей стране изучению подземных экосистем до сих пор уделялось недостаточно внимания. В
ряде шахт Урала, Средней Азии, Украины и Кольского полуострова проводились микробиологические
исследования, но они имели, как правило, довольно узкую направленность. Так, в угольных шахтах
изучалась деятельность метаногенных бактерий, способных существенно влиять на состав подземной
атмосферы и приводить к опасным ситуациям (Курдиш и др., 1998). В остальных выработках чаще
рассматривали роль микроорганизмов с точки зрения деструкции деревянных, металлических,
резиновых и тканевых материалов крепежа и оборудования. Поэтому объектами для ученых
становились достаточно узкие группы организмов, выполняющих в этих экосистемах строго
определенные функции.
Целью настоящего исследования было изучение сообществ микроорганизмов, обитающих в
различных средах подземных выработок Кольского полуострова и Северной Норвегии, их структуры,
биоразнообразия, биомассы и их экологических особенностей. Задачи:
- исследовать биомассу и биоразнообразие микроорганизмов;
- исследовать сообщества микроорганизмов, обитающих в минеральной, водной и воздушной
средах подземных выработок.
Объекты и методы исследований.
В течение 1999 года производился отбор образцов руды, воды и анализ воздуха на содержание
микроорганизмов в подземных выработках Северной Фенноскандии (Кольский полуостров и Северная
Норвегия). Изучены следующие горные выработки: ОАО “Апатит” (г.Кировск), ОАО “Ковдорслюда”
(г.Ковдор), ОАО “Севредмет” (г.Ревда), предприятие ASA “Sydvaranger” (г.Киркенес), ОАО “Кольская
ГМК”
(г.Заполярный),
которые
характеризуются
раззличным
минеральным
составом.
Микробиологический анализ образцов проводился в лаборатории экологии микроорганизмов ИППЭС
КНЦ РАН. Работа велась в течение года независимо от сезона, так как во всех выработках годовые
колебания температуры и влажности минимальны. В местах отбора образцов температура от +4 до
+100С. В выработках были взяты образцы руды (законсервированные отвалы, осыпи со стенок штолен и
т.д.) из слоя 3-10 см, образцы шахтных вод (капеж с кровли и стенок, лужи на дне выработки). Отбор
производился, по возможности, в самых “старых”, отработанных выработках, не посещаемых людьми
долгое время, с целью снижения влияния современного привноса микроорганизмов и выявления
“акклиматизировавшихся” микроорганизмов. Микрофлора воздуха изучалась по методу седиментации
Коха, для этого на исследуемых участках выработок выставлялись чашки Петри с питательной средой
(мясо-пептонный агар) с экспозицией от 20 минут до 1 часа в зависимости от предполагаемой
загрязненности воздуха. Исследование воздуха проводилось в отработанном участке выработки,
поблизости от места отбора проб руды и воды, а также в участке выработки, регулярно посещаемом
людьми, для сравнения “аборигенной” и привносимой микрофлоры.
На следующий день после отбора проб производился посев образцов на питательные среды с
целью определения численности, биомассы, видового разнообразия микробного компонента.
Использованы плотные стандартные среды: мясо-пептонный агар, крахмало-аммиачный агар, суслоагар, среда Аристовской, среда Пиковской. Также проводился посев на жидкие среды: 9К, Таусона,
Летена, Ваксмана, Баалсруда для выявления серо- и железоокисляющих бактерий, анаэробных
сульфатвосстанавливающих бактерий.
Численность бактерий и длину грибного мицелия определяли прямым методом флуоресцентного
микроскопирования, с использованием красителя FITC фирмы Sigma.
Результаты и обсуждение.
В результате проведенной работы из обследованных сред пяти подземных горных выработок
выделено и определено 27 видов микроскопических грибов, принадлежащих к 8 родам, 2 классам, а
также представители 9 родов бактерий (табл. 1)
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Виды микроскопических грибов
DEUTEROMYCETES
Acremonium butyri (T.H. Beyma) W.Gams
Acr. charticola (Lindau) W.Gams
Acr. roseo-griseum (Saks.) W.Gams
Acr. crotocinigenum
Aspergillus fumigatus Fresen.
A. glaucus Link.
A. sydowii (Bainier et Sartory) Thom et Church
Asp. versicolor (Vuill.) Tirab.
Doratomyces stemonitis (Persoon et Fries) Morton et G.Smith
Penicillium charlesii G.Smith
P. chrysogenum Thom
P. commune Thom
P. corylophilum Dierckx
P. cyclopium Westling
P. decumbens Thom
P. frequentans Westling
P. islandicum Sopp
P. martensii Biourge
P. meleagrinum Biourge
P. puberulum Bainier
P. thomii Maire
P. variabile Thom
Stachybotrys chartarum (Ehrenb. ex Link) S. Hughes
Sterile mycelium
Trichoderma viride Pers.
Ulocladium botrytis Preuss.
ZYGOMYCETES
Место выделения*
A, R, K
Z
A
Z
N, Z
N
R
A, K, Z
K, Z
R
Z
R, K
R, K, Z
A, R, Z, N
A
A
A
A
R
Z
A
R
Z
A, R
Z
R
27
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Mucor griseo-ochraceus
Рода бактерий:
Acidophilium
Acinetobacter
Alcaligenes
Bacillus
Flavobacterium
Pseudomonas
Sporosarcina
Xantomonas
коринеподобные бактерии, в т.ч.:
Arthrobacter
Cellulomonas
Micrococcus
Rhodococcus
R
A, Z
A
R, N
A, K, R, N, Z
A, K
A, K, R, N, Z
A, K, R, Z
A
A, K, R, Z
R, Z
Z
R, Z
K, R, Z
*Примечание. А - ОАО “Апатит” (г.Кировск), К - ОАО “Ковдорслюда” (г.Ковдор), R - ОАО
“Севредмет” (г.Ревда), N - предприятие ASA “Sydvaranger” (г.Киркенес, Норвегия), Z - ОАО “Кольская
ГМК” (г.Заполярный).
Как видно, численность бактерий в рудных средах выработок составляет 40-120 млн. клеток в 1 г
породы и до 10 млн. клеток в 1 мл шахтных вод. Длина грибного мицелия достигает максимальных
значений – 1,2 м в 1 г породы (Заполярный) и всего 0,07 м в 1 мл шахтных вод (Ревда), в остальных
образцах эти значения существенно ниже. Такие низкие значения, по сравнению с численностью грибов
и бактерий в почвенном покрове, достигающей миллиардов клеток бактерий и сотен метров мицелия в 1
г почвы (Евдокимова, Мозгова, 1995) объясняются, в первую очередь, бедностью субстратов
питательными элементами, а также, вероятно, повышенными концентрациями тяжелых металлов,
оказывающих подавляющее влияние на микроорганизмы.
Доминантами в разных подземных выработках оказываются разные виды грибов. Это
обуславливается неблагоприятными условиями среды обитания, в которой экологические ниши
занимаются малым количеством конкурирующих групп. Такие организмы, как например Acremonium
butyri, доля которых в наземных экосистемах незначительна, способны занимать доминирующие
позиции, составляя от 20 до 97% от численности всех грибов в трех изученных шахтах. В подземной
выработке ОАО «Апатит» наличие более рыхлого минерального субстрата, обогащенного, по сравнению
с другими выработками, питательными элементами, обеспечивает развитие значительно большего
набора видов микроорганизмов (см. табл. 1). Здесь отсутствуют монодоминирующие виды.
Воздух разных подземных выработок значительно отличается по содержанию в нем
микроорганизмов. Как правило, в отработанных, безлюдных участках шахт воздух значительно
чище, чем в эксплуатируемых. Исключение составляет лишь отработанная более 30 лет назад
подземная выработка ОАО «Севредмет», в которой высокое содержание микроорганизмов в
воздухе, по-видимому, связано с активным развитием спорообразующих бактерий родов Bacillus и
Sporosarcina и доминированием некоторых грибов. Максимальное содержание микроорганизмов в
атмосфере подземных выработок ОАО «Апатит» и ОАО “Кольская ГМК” - около 20 тысяч клеток
в 1 м3, минимальные значения – 127 и 662 клетки в 1 м3 (в безлюдном и посещаемом участках
соответственно) воздуха норвежской шахты предприятия “Sydvaranger“.
Таким образом, полученные результаты дают представление о микробиологическом
состоянии подземных выработок.
Биологические методы индикации занимают важное место в решении проблемы загрязнения
среды обитания. Обычно под биоиндикаторами понимают живые системы, по наличию, состоянию и
поведению которых можно судить о степени изменения среды обитания, в т.ч. о наличии и
концентрации в ней таких поллютантов, как тяжелые металлы. Воздействие тяжелых металлов на
микробные сообщества в естественных системах меняется в зависимости от степени токсичности
элемента, вида микроорганизма и физико-химических свойств среды. Общее уменьшение в численности
бактерий, актиномицетов, грибов, как правило, отмечается при загрязнении сред медью, кадмием,
свинцом, мышьяком и цинком.
Дальнейшее изучение таких процессов как биосорбция необходимо не только с научной
точки зрения, но и для применения в биотехнологии. Нужны новые экологические исследования,
которые еще сталкиваются с трудностями, например, хорошо известная проблема экстраполяции
лабораторного опыта на полевой эксперимент. Кроме того, исследования природной среды
приобретают новую остроту из-за проблемы усиливающегося загрязнения среды тяжелыми
металлами, радионуклидами, а также новой заинтересованностью в использовании
микроорганизмов-экстремофилов в биотехнологических процессах.
Конечно, промышленный интерес к аккумуляции металлов грибами возрастает не только из-за
высокой поглотительной способности и низкой стоимости работ (грибная биомасса, как правило,
находится в самих промышленных отходах), но также из-за того, что после извлечения связанных
металлов (например, бикарбонатом натрия), биомасса может быть снова использована как
биосорбент. Кроме того, использование аборигенных, выделенных из местных сред обитания,
микроорганизмов наиболее перспективно.
Автор выражает искреннюю благодарность за руководство работой профессору Евдокимовой
Г.А. и сотрудникам лаборатории Экологии микроорганизмов старшему научному сотруднику Мозговой
Н.П. и кандидату биологических наук Зенковой И.В. за помощь в проведении работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Микрофлора почв тундровой зоны Кольского полуострова. / Г.А. Евдокимова, Н.П.
Мозгова // Почвоведение, 1995, №12, с. 1487-1497.
2. Микрофлора горных выработок угольных шахт Западного Донбасса. / И.К. Курдиш,
А.А. Рой, Э.З. Коваль, Т.С. Антонюк //Микробиологический журнал (Украина), 1998, Т.60, №1, с.
3-10.
3. The geochemical environment of nuclear fuel waste disposal: [Pap.] Symp. Microbiol. Highlevel Nucl. Waste Disposal, Kingston, June 15, 1995 / Gascoyne M. // Can. J. Microbiol. - 1996. - V.42,
№4. P. 401-409.
4. Review on microbial ecology in the deep subterranean environment / Watanabe Y. // Quart.
Abstr. / Cent. Res. Inst. Elec. Power Ind. - 1997. №77. - P. 11-12.