морских водорослей и

Московский
Госуниверситет
им. М.В.
Ломоносова
Разработка способов очистки морских акваторий от
нефтяного загрязнения с использованием биологических
объектов (морских водорослей и нефтеокисляющих
бактерий)
Национальный комитет по науке и промышленности
Зав. кафедрой микробиологии МГУ, профессор А.И. Нетрусов
В сотрудничестве с: Семеновым А.М.1, Семеновой Е.В.1, Шеляковым О.В.2,
Ивановым М.Н.2, Шлыковой Д.С.1
1 – Кафедра микробиологии биофака МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, 119992.
Ленинские Горы, 1/11
2 - Национальный комитет по науке и промышленности, г. Москва, 115184, ул. Бахрушина
1/7, 31 А.
СПб, 2008 г.
Контракт: № 02.515.11. 5071 от 25 июня 2007 г. в рамках
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса
на 2007-2012 годы».
Тема контракта:
«РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОЧИСТКИ МОРСКИХ
АКВАТОРИЙ ОТ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
(МОРСКИХ ВОДОРОСЛЕЙ И НЕФТЕОКИСЛЯЮЩИХ
БАКТЕРИЙ»
Критические технологии:
1. Технологии снижения риска и уменьшения последствий
природных и техногенных катастроф
2. Технологии экологически безопасной разработки
месторождений и добычи полезных ископаемых
Представляемый материал отражает ключевые стадии трех
предыдущих этапов и завершающий 4-й этап
исследований по контракту:
«Проведение испытаний на плантации-биофильтре
разработанных способов очистки морской акватории от
нефтяного загрязнения»
Результаты исследований по этапам I - I I I :
* Проведены экспериментальные исследования и натурные наблюдения в районе
морских акваторий: Кандалакшкий залив Белого моря и в районе прибрежной зоны г.
Светлогорска, Балтийское море.
* С морской акватории и в прибрежной зоне Кандалакшкого залива Белого моря
отобраны образцы морской воды, бурых водорослей, грунта и углеводородных
загрязнений, для проведения лабораторных анализов и выделения аборигенных
углеводородокисляющих микробных сообществ.
* Изучены морфо-физиологические и функциональные свойства фукусовых (бурых)
водорослей с целью выяснения их роли в нефтеочистке морских акваторий.
Проведен комплекс работ:
* Получены накопительные культуры УВ бактерий из образцов, отобранных в
Кандалакшском заливе Белого моря;
* Селектированы УВ бактериальные сообщества среди наиболее активных
накопительных культур, устойчивых к солености и низкой температуре;
* Выделены чистые культуры УВ бактерий с узким и широкими спектрами окисления
углеводородов и приспособленности к факторам окружающей среды;
* Создан банк чистых культур УВ окисляющих бактерий и бактериальных сообществ.
* Проведены микрокосмные эксперименты по созданию опытной плантации –
биофильтра на основе высокоактивных УВ окисляющих бактерий и бурых водорослей.
* Проведен патентный поиск по теме.
Проведены экспедиции в районы потенциальных
техногенных катастроф в северных морях:
Две экспедиции в район Белого моря, Кандалакшский залив
Заросли бурых водорослей,
открывшихся после отлива
Экспедиция на Балтийское море, прибрежная зона г.
Светлогорска,
Вид поверхности воды при умеренном волнении и вид дна моря недалеко от
берега
Берег и кромка моря после прилива и растущие на валунах зеленые
водоросли
Гидрологические и гидрохимические характеристики Белого моря
Площадь Белого моря ~ 90 тыс. кв. км. Средняя глубина ~ 60 м.
Наибольшая глубина ~ 330 м - в северо-восточной части Кандалакшского залива.
Крупные заливы ( их еще называют - губы) - Кандалакшский, Онежский, Двинский и
Мезенский.
Крупные острова - Соловецкий, Моржовец, Мудьюгский.
В Белое море впадают крупные реки: Северная Двина, Мезень, Онега и др.
Донные отложения основной части моря представлены илом и песчанистым илом, в
Кандалакшском, Онежском заливах и в северной части моря преобладают песчаные и
каменистые грунты.
Температура воды на поверхности моря летом от 6оС (в Воронке, Горле и Онежском заливе)
до 15оС (в центральной части).
Зимой с появлением льда -- от - 1,3 до - 1,7оС в центральной части и от - 0,5 до - 0,7оС в
заливах.
Солёность воды в Воронке 3,4-3,5%, в Горле 3,0%, в центр. части 2,4-2,6%.
Лёд в Белом море образуется в октябре-ноябре и держится до мая-июня. Поверхностные
течения в открытой части моря слабые, неустойчивые, скорость менее 1 км/час.
Приливы правильные полусуточные, от 1 м (на Юге.) до 10 м (в Мезенском заливе).
Кандалакшский залив Белого моря. Морфологическое разнообразие бурых
водорослей в их естественной среде обитания (морское дно) на ранней стадии
колонизации донного экотопа.
Колония бурых водорослей в их естественной среде
обитания (морское дно).
Бурые водоросли и субстрат, к которому они
прикрепляются в процессе роста и развития
Взаимодействие слоевищ и ризоморфов бурых водорослей с биотическими
(слева, моллюск, изъятый из скопления слоевищ и мелкие моллюски вблизи
основания слоевищ) и абиотическими (справа, морской камешек, покрытый
ризоморфами) компонентами экосистемы их обитания.
Камешек,
покрытый
ризоморфами
Моллюски
Обследования побережья in situ для создания опытной плантациибиофильтра
Углеводородная пленка на поверхности воды кромки берега. Под
водой видны растущие макрофиты
Во время отливов нефтяные загрязнения оседают на неровностях
морского дна и на появляющихся из под воды макрофитах.
В таких случаях происходит контакт эпифитных УВ окисляющих
бактерий с нефтью и индукция УВ-окисляющей способности
эпифитных бактерий.
Среда с сырой нефтью
Выделение УВ-окисляющих бактерий. Кусочки таллома бурых
водорослей, обросшие колониями бактерий (справа) и рост
перенесенной смеси колоний в жидкой среде с 2% сырой нефти (слева).
Получение накопительных культур УВ-окисляющих
микроорганизмов в жидкой среде с использованием талломов
фукусов (отмечено стрелкой)
Накопительная культура УВ микроорганизмов - эпифитов
бурых водорослей в среде с сырой нефтью
Произошло разложение нефтяной пленки без образования
осадка на дне колбы.
а
б
Проверка УВ-окисляющей активности чистых культур бактерий.
Разная биомасса, образованная различными культурами на одном и том же
источнике углерода и энергии – сырой нефти, за одинаковый промежуток
времени инкубации указывает на разную активность выделенных чистых культур
бактерий в отношении УВ сырой нефти.
Содержание исследований IV этапа
1. Создание экспериментальной плантации-биофильтра и испытание
биопрепаратов на основе УВОБС в микрокосмах, приближенным к
природным в Кандалакшской губе Белого моря на предмет
резистентности к экстремальным воздействиям среды.
2. Определение эффективности работы УВОБв природных условиях.
3. Разработка технологических схем и технических заданий на основе
исследований для промышленного использования результатов
4. Проведение патентных исследований в соответствии с
ГОСТ Р 15.011-96.
5. Разработка методических рекомендаций по защите прибрежных
экосистем от нефтяного загрязнения с использованием технологии
биологической очистки морских акваторий и подготовка научных
кадров и специалистов.
Растения - ни наземные, ни водные, не способны к сколь либо
заметному потреблению углеводородов нефти.
Микрофотография отпечатка поверхности таллома фукуса. Полная
колонизация поверхности бактериями!
10 мкм
Обилие и морфологическое разнообразие микроорганизмов
на поверхности таллома фукуса
10 мкм
Морфологическое разнообразие микроорганизмов на
отпечатке поверхности таллома фукуса
(кокки, одиночные и в цепочках, палочки, короткие, длинные и в
цепочках, палочки с интрацеллюлярными включениями, изогнутые, до
почти кольцеобразных и др.)
10 мкм
Микроколонии бактерий на поверхности таллома
фукуса
Наличие многочисленных микроколоний бактерий – показатель их
активного роста за счет биомассы фукуса
10 мкм
Создание экспериментальной плантации – биофильтраиз бурых
водорослей и УВОБС.
А - бурые водоросли на песчаном дне.
Б - плавучая платформа для ограничения рассеивания биопрепарата
УВ окисляющих бактерий и нефти
A
Б
Создание плантации – биофильтра из УВ-окисляющего МС и бурых
водорослей.
Крошки носителя-сорбента (отмечены голубой стрелкой) с прикрепленной к нему и
диффундирующей в воду биомассой УВ-окисляющих бактерий (отмечены зеленой
стрелкой) внутри плавучей платформы над бурыми водорослями
Нефтяная пленка над плантацией бурых водорослей после
внесения нефти в из расчета 85 м3/км2. Нефтяная пленка
полностью экранирует находящиеся на дне бурые водоросли.
Плантация – биофильтр после инкубирования с нефтью в течение
недели при 10о С и слабом перемешивании.
Нефтяная пленка практически исчезла, на дне хорошо видны бурые водоросли.
Некоторая часть нефти сохранилась в адсорбированном виде на крошках
носителя-сорбента.
Биофильтр на основе УВОБС без участия фукусов
Проточный бокс с перегородкой и внесенными фильтрами,
пропитанными биомассой и разными концентрациями нефти.
Сравнительная характеристика опытных (слева) и
контрольных (справа) фильтров на второй день проведения
эксперимента
Опыт
100 %
нефти
10 %
нефти
1%
нефти
Контроль
Сравнительная характеристика опытного (слева) и контрольного
(справа) фильтра при 10 % концентрации нефти на четвертый день
проведения эксперимента.
Опытный фильтр со 100% концентрацией нефти на
шестой день эксперимента
Выводы
1. Проведены комплексные исследования абиотических условий и биотических
компонентов Северных морских экосистем с целью создания
высокоэффективных биопрепаратов на основе УВ-окисляющих микробных
сообществ для использования их в очистке этих экосистем от нефти и
нефтепродуктлов.
2. На основе эпифитных и свободноживущих микроорганизмов Северного моря
получены высокоактивные УВОБС, пригодные к эксплуатации при низкой
температуре и солености.
3. Создана экспериментальная плантация - биофильтр на основе бурых
водорослей и углеводород-окисляющих микробных сообществ.
4. Создан биофильтр на основе только УВОБС, без участия бурых водорослей,
обладающий такой же или даже более высокой УВ-окисляющей
активностью.
5. Основным компонентом в нефтеочистке были и останутся УВ- бактерии,
независимо от того являются ли они свободноживущими или эпифитами
каких либо водорослей. Морские макроводоросли служат лишь носителем,
подложкой для микроорганизмов, частично - источником углерода и энергии
Задачи к дальнейшему развитию темы
контракта (ОКР):
1. Экспериментально - технологические:
1.1. Промышленное производство биопрепарата,
представленного не единственным активным штаммом, а
бактериальным сообществом.
1.2. Организация «службы» экстренной экологической помощи
при нефтяных разливах в морях.
2. Научно - экспериментальные:
2.1. Идентификация компонентов УВОБС с использованием
современных молекулярно-микробиологических методов.
2.2. Решение проблем поддержания чистых культур в
коллекции и бактериального сообщества в постоянно
готовом активном состоянии.
Московский
Госуниверситет
им. М.В.
Ломоносова
Благодарю за внимание и терпение!
Разработка способов очистки морских акваторий от
нефтяного загрязнения с использованием биологических
объектов (морских водорослей и нефтеокисляющих
бактерий)
Кафедра микробиологии биофака МГУ им. М.В. Ломоносова:
А.И. Нетрусов, А.М.Семенов, Е.В.Семенова, Д.С.Шлыкова
Национальный комитет по науке и промышленности:
О.В.Шеляков, М.Н.Иванов
Об опасных болезнях, отравлениях и экологических
катастрофах.
Экологическая катастрофа возникает только при
одном условии - большом неконтролируемом разливе
нефти, особенно очень вязкой, насыщенной серой,
нефти.
Нефть,
в
силу
ее
физико-химических
особенностей обладает асептическими свойствами.
Организмы ее, окисляющие и продукты ее окисления,
при сбалансированной пищевой цепи не представляют
опасности. Более того, патогенные для человека и
животных
бактерии,
дрожжи,
простейшие
и
микроскопические животные, как правило, гораздо
чувствительнее к компонентам нефти и быстрее гибнут
при соприкосновении с нефтью.
Давно известен простой, надежный, дешевый и
безопасный способ борьбы с размножением комаров. В
водоеме «разливают» немного нефти. Образуется легкая
УВ пленка на поверхности воды, которая, с одной
стороны, блокирует доступ кислорода в воду, а с другой покрывает личинок тончайшей УВ пленкой. Личинки
гибнут, а УВ пленка утилизируется, присутствующими
ВЕЗДЕ УВ-окисляющими микроорганизмами.