OIL-OXIDIZING MICROORGANISMS AS INDICATORS OF OIL POLLUTION OF WATERCOURSES OF PETROPAVLOVSK-KAMCHATSKY

НЕФТЕОКИСЛЯЮЩИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ КАК ИНДИКАТОРЫ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОТОКОВ Г. ПЕТРОПАВЛОВСКА-КАМЧАТСКОГО

Научная статья

Конева М.Н.¹, Ступникова Н.А.^2,  ⃰

^{1, 2} Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, Россия

* Корреспондирующий автор (NAStupnikova[at] mail.ru)

Аннотация

Приведены результаты исследования содержания нефтеокисляющих микроорганизмов в водотоках г. Петропавловска-Камчатского как индикаторов нефтяного загрязнения. Изучена пространственная и сезонная динамика численности данной эколого-трофической группы микроорганизмов, которая свидетельствует о высоком антропогенном загрязнении нефтепродуктами водотоков города, и на основе которой выявлены участки водных объектов с наиболее интенсивным техногенным воздействием.

Ключевые слова: микробиологическая индикация, нефтепродукты, нефтеокисляющие микроорганизмы, техногенное загрязнение.

OIL-OXIDIZING MICROORGANISMS AS INDICATORS OF OIL POLLUTION OF WATERCOURSES OF PETROPAVLOVSK-KAMCHATSKY

Research article

Koneva M.N.¹, Stupnikova N.A.^2,  ⃰

^{1, 2} Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia

* Corresponding author (NAStupnikova[at] mail.ru)

Abstract

The current study presents the results of a study of the content of oil-oxidizing microorganisms in the watercourses of Petropavlovsk-Kamchatsky as indicators of oil pollution. The authors examine the spatial and seasonal dynamics of the number of this ecological and trophic group of microorganisms, which indicates high anthropogenic pollution of the city's watercourses with petroleum products, and identify the areas of water bodies with the most intense man-made impact on the basis of this data.

Keywords: microbiological indication, petroleum products, oil-oxidizing microorganisms, man-made pollution.

Введение

Нефтепродукты являются одними из главных загрязнителей водных объектов. Привнесение их в водоемы и водотоки худшим образом влияет на качество и состояние вод, что выражается в изменении органолептических показателей, рН водной среды; нарушении газового режима, теплового обмена и т.д. Большинство компонентов нефти и нефтепродуктов являются токсичными и оказывают канцерогенное и мутагенное действие на гидробионтов [1], [2].

В связи с этим, возникает необходимость раннего определения нефтепродуктов в воде. Наиболее быстро реагируют на изменение качества воды микроорганизмы. При поступлении загрязняющего вещества в водный объект в нем развиваются специфические группы бактерий, которые используют это вещество в качестве энергетического и конструктивного субстрата. На этом принципе основан метод микробиологической индикации [3], [4].

Водотоки г. Петропавловска-Камчатского подвергаются интенсивному антропогенному воздействию. Они протекают вблизи жилых построек и автомобильных дорог, что оказывает негативное влияние на качество воды в них. Эти водотоки, являясь приемниками загрязняющих веществ, впадают в Авачинскую бухту, чем привносят дополнительное загрязнение в ее акваторию.

Цель данной работы — оценить уровень загрязнения нефтепродуктами водотоков г. Петропавловска-Камчатского на основе численности нефтеокисляющих микроорганизмов как индикаторов нефтяного загрязнения.

Материал и методы

Объектами исследования явились водотоки, расположенные в черте г. Петропавловска-Камчатского: р. Кирпичная, ручьи Кабан и Крутоберега.

Река Кирпичная берет начало в оз. Плоское, расположенном на отметке 224,2 м над уровнем моря. В верхнем и среднем течении река носит название Кирпичная, впадает в оз. Халактырское и вытекает, имея одноименное название с озером. В верховьях река зарегулирована небольшим водохранилищем, ниже которого она течет в неширокой долине среди холмов и имеет предгорный характер перед выходом на равнину. Ширина реки составляет 2–3 м скорость течения на перекатах достигает 0,6 м/с. Площадь водосбора составляет 207 км², при длине реки 24 км. Река впадает в Тихий океан [5].

Ручей Кабан берет свое начало на склонах Петровской сопки и впадает в Авачинскую бухту. Протяженность его менее 10 км. Ширина ручья составляет около 2 м, течение очень слабое и не превышает 0,2 м/с. В среднем течении в районе водозабора используется для обеспечения питьевой водой жилого района города и для производственных нужд ТЭЦ-1. В нижнем течении ручей протекает по территории госпиталя, городской больницы № 1 и населенного района «Копай» [6], [7].

Ручей Крутоберега берет начало из небольшой равнины расположенной недалеко от лыжной базы «Лесная» и впадает в Авачинскую бухту. В среднем течении имеет предгорный характер. Ширина водотока 2,5–3 м, глубина на стержне 0,3–0,5 м, скорость течения составляет 0,6 м/с. В нижнем течении ручей имеет равнинный характер. Ширина водотока около 3 м, глубина на стержне 0,3–0,5 м, скорость течения не превышает 0,4 м/с. Через дороги ручей протекает по бетонным кульвертам [6], [7].

Для оценки загрязнения вод исследуемых водотоков нефтепродуктами методом микробиологической индикации отбирались пробы воды с поверхностного горизонта согласно правилам Госстандарта[8] на 8 станциях (рисунок 1) в основные фазы гидрологического режима водотоков — в период половодья (весной), летнего паводка и осеннюю межень в 2020 г.

Микробиологический анализ для выявления и количественного учета нефтеокисляющих бактерий осуществлялся методом посева на агаризованную среду Мюнца с нефтью.

Состав минеральной среды Мюнца следующий: NaCl — 1 г, KNО₂ — 2 г; MgSО₄ — 0,4 г; К₂НРО₄ — 0,3 г, КН₂РО₄ — 0,7 г, агар-агар — 2%; нефть — 10 мл; вода дистиллированная — 1000 мл. Нефть добавлялась непосредственно в среду со всеми остальными компонентами, стерилизовалась в автоклаве в течение 30 мин при давлении 1,2 атм. [9].

Рис. 1 – Объекты исследования и станции отбора проб

После автоклавирования слегка остывшая среда разливалась в чашки Петри для застывания и подсыхания. Исследуемая вода в количестве 1 мл с разведениями помещалась на поверхность застывшей среды и втиралась в агар стерильным стеклянным шпателем Дригольского. Инкубация посевов осуществлялась в течение двух недель при температуре 20°С. Колонии подсчитывались визуально.

Результат анализа выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ/мл). Полученные в результате проведенных лабораторных исследований данные были подвергнуты статистическому анализу.

Основные результаты и их обсуждение

Численность нефтеокисляющих микроорганизмов (НМ) позволяет охарактеризовать процесс микробного разрушения нефти и используется для индикации нефтяного загрязнения благодаря их способности использовать нефтяные углеводороды в качестве единственного источника углерода [10], [11].

Показатель численности НМ не является нормируемым, поэтому для оценки полученных данных, необходимо сравнить данные, полученные для исследуемого участка, с данными контрольного участка (заранее выбранный фоновый, чистый район). Как правило, если нет источника поступления нефти в среду, нет и микроорганизмов, расщепляющих этот субстрат [12].

Станция № 6 (верхнее течение руч. Крутоберега) была выбрана в качестве фонового участка, поскольку данный район характеризуется отсутствием значимых антропогенных источников воздействия.

Содержание НМ в водотоках г. Петропавловска-Камчатского представлено на рисунке 2.

Рис. 2 – Численность НМ в исследуемых водотоках по станциям отбора проб и по сезонам

 

Исследования выявили, что максимальная численность НМ отмечается на станции № 1 в период летнего паводка и соответствует 2875 КОЕ/мл. Отсутствие НМ наблюдается на станциях № 4, 5, 6, 7, 8 в период осенней межени. Рост и развитие НМ, требует определенного времени и оптимальных условий среды: наличия достаточного количества кислорода, биогенных элементов (азота, фосфора), определенной температуры. При низкой температуре, менее 10°С, скорость деструкции нефти резко снижается [9], [13].

Сезонное распределение нефтеокисляющих микроорганизмов в исследуемых водотоках различно (рисунок 3) и связано, прежде всего, с наличием субстрата для развития микрофлоры и благоприятного температурного фактора. Эти оптимальные условия создаются, как следует из рисунка 2, в летний паводок, в период которого в водные объекты с прилегающих территорий смывается большое количество нефтепродуктов, при этом температура окружающей среды имеет более высокие значение, чем в период половодья и осенней межени. На всех станциях в летний паводок наблюдается максимальное количество нефтеокисляющих микроорганизмов. Наименьшее количество микрофлоры, расщепляющей нефтепродукты, на большинстве станций наблюдается в осеннюю межень, что обусловлено понижением температуры окружающей среды, которая отклоняется от оптимальной, и лимитирует развитие нефтеокисляющих микроорганизмов. В период половодья также наблюдаются наименьшие количества НМ, что также возможно связано с низкой температурой воды, поскольку весенние месяцы были довольно холодными.

Рис. 3 – Сезонная динамика численности НМ в исследуемых водотоках

 

Рассматривая пространственную динамику можно отметить, что максимальная численность НМ отмечается на станции № 1, а минимальная на станции № 6 (рисунок 4).

Рис. 4 – Пространственная динамика численности НМ в исследуемых водотоках

 

Количество НМ на всех исследованных участках было больше чем на фоновом участке, что свидетельствует об антропогенном загрязнении нефтепродуктами водотоков города. Источниками загрязнения нефтепродуктами исследованных водотоков являются: смывы с автомобильных дорог, промышленные предприятия и постройки, расположенные вдоль их русел, а также ливневый и терригенный сток.

По количеству НМ наиболее загрязненным нефтепродуктами является руч. Кабан, менее загрязненными р. Кирпичная и руч. Крутоберега.

Заключение

Таким образом, НМ были обнаружены на всех станциях исследованных водотоков. Численность НМ подвержена сезонным изменениям, максимум их роста и развития приходится на летние месяцы, весной и осенью их численность невысока, что обусловлено, прежде всего, низкими температурами.

Количество НМ на всех исследованных участках было больше чем на фоновом участке, что свидетельствует об антропогенном загрязнении нефтепродуктами водотоков города. По численности НМ наиболее загрязненным нефтепродуктами является руч. Кабан на всем своем протяжении, наименьшее загрязнение наблюдается в водах р. Кирпичной. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Шамраев А. В. Влияние нефти и нефтепродуктов на различные компоненты окружающей среды / А. В. Шамраев, Т. С. Шорина // Вестник ОГУ. — 2009. —№ 6 (100). — С. 642–643.
2. Жолтаев Г. Ж. Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду / Г. Ж. Жолтаев, А. Д. Товасаров, С. Г. Нурсултанова, Ж. Г. Альжанова // Вестник КазНТУ. — 2015. — № 4. — С. 43–44.
3. Оказова З. П.. Использование микроорганизмов в качестве индикаторов загрязнения окружающей среды / З. П. Оказова, Т. А. Автаева // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 5. — [Электронный ресурс]. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21642 (дата обращения: 15.05.2021).
4. Бойченко Т. В. Микробная индикация прибрежных вод северной части Амурского залива / Т. В. Бойченко, Н. К. Христофорова, Л. С. Бузолёва // Известия ТИНРО. — Т. 158. — 2009. — С. 234–235.
5. Введенская Т. Л. Река Кирпичная-Халактырка (Камчатка), исследованная В.Я. Леванидовым: Современное экологическое состояние / Т. Л. Введенская // Чтения памяти Владимира Яковлевича Леванидова. — Петропавловск-Камчатский, 2011. — Вып. 5. — С. 87–88.
6. Введенская Т. Л. Рыбохозяйственное значение водотоков г. Петропавловска-Камчатского / Т. Л. Введенская // Исследования водных биологических ресурсов Камчатки и северо-западной части Тихого океана. — 2011. — Вып. 23. — С. 88–101.
7. Введенская Т. Л. Обзор результатов исследований состояния лососёвых водных объектов с различной степенью антропогенной нагрузки в Камчатском крае / Т. Л. Введенская, А. В. Улатов // Труды ВНИРО. — Т. 157. — 2015. — С. 173–188.
8. ГОСТ 51592-2000. Вода. Общие требования к отбору проб. – Введ. 21.04. 2000.− М., 2000 – 20 с.
9. Наливайко Н. Г. Руководство к практическим занятиям по микробиологии воды / Н.Г. Наливайко; Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. — 114 с.
10. Теканова Е. В. Микробиологическая индикация загрязнения воды реки Нелукса (Карелия) / Теканова Е. В. // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. — 2016. — № 8 (160). — С. 109–114.
11. Арсентьева Н. Ю. Микробиологическая характеристика экологического состояния реки Миасс, Аргазинского и Шершневского водохранилищ // Вода: химия и экология. — 2011. — № 6. —С. 2–8.
12. Ильинский В. В. Углеводородокисляющие бактериоценозы незагрязненных пресных вод и их изменения под влиянием нефтяных углеводородов (на примере юго-восточной части Можайского водохранилища) / В. В. Ильинский, О. В. Поршнева, Т. И. Комарова и др. // Микробиология. — 1998. — № 2. — С. 267–273.
13. Гоголева О. А. Углеводородокисляющие микроорганизмы природных экосистем / О. А. Гоголева, О. В. Поршнева // Бюллетень Оренбургского научного центра Уро РАН. — 2012. — № 2. — С. 1–7.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Shamraev A. V. Vlijanie nefti i nefteproduktov na razlichnye komponenty okruzhajushhej sredy [Influence of oil and oil products on various components of the environment] / A. V. Shamraev, T. S. Shorina // Vestnik OSU. — 2009. — No. 6 (100). — P. 642–643. [in Russian]
2. Zholtaev G. Zh. Vlijanie nefti i nefteproduktov na okruzhajushhuju prirodnuju sredu [Influence of oil and oil products on the environment] / G. Zh. Zholtaev, A. D. Tovasarov, S. G. Nursultanova et al. // Bulletin of KazNTU. — 2015. — No. 4. — P. 43–44. [in Russian]
3. Okazova Z. P. Ispol'zovanie mikroorganizmov v kachestve indikatorov zagrjaznenija okruzhajushhej sredy [Use of microorganisms as indicators of environmental pollution / Z. P. Okazova, T. A. Avtayeva // Modern problems of science and education]. — 2015. — No. 5. — [Electronic resource]. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21642 (accessed: 15.05.2021). [in Russian]
4. Boychenko T. V. Mikrobnaja indikacija pribrezhnyh vod severnoj chasti Amurskogo zaliva [Microbial indication of coastal waters in the northern part of the Amur Bay] / T. V. Boychenko, N. K. Khristoforova, L. S. Buzoleva // Izvestiya TINRO. — Vol. 158. — 2009. — P. 234–235. [in Russian]
5. Vvedenskaya T.L. Reka Kirpichnaja-Halaktyrka (Kamchatka), issledovannaja V.Ja. Levanidovym: Sovremennoe jekologicheskoe sostojanie [Kirpichnaya-Khalaktyrka River (Kamchatka), investigated by V.Ya. Levanidov: Current ecological state] / T.L. Vvedenskaya // Chtenija pamjati Vladimira Jakovlevicha Levanidova [Readings in memory of Vladimir Yakovlevich Levanidov]. — Petropavlovsk-Kamchatsky, 2011. — Issue. 5. — P. 87–88. [in Russian]
6. Vvedenskaya T. L. Rybohozjajstvennoe znachenie vodotokov g. Petropavlovska-Kamchatskogo [Fishery significance of watercourses in the city of Petropavlovsk-Kamchatsky] / T. L. Vvedenskaya // Issledovanija vodnyh biologicheskih resursov Kamchatki i severo-zapadnoj chasti Tihogo okeana [Research of aquatic biological resources of Kamchatka and the north-western part of the Pacific Ocean]. — 2011. — Issue. 23. — P. 88–101. [in Russian]
7. Vvedenskaya T. L. Obzor rezul'tatov issledovanij sostojanija lososjovyh vodnyh ob#ektov s razlichnoj stepen'ju antropogennoj nagruzki v Kamchatskom krae [Review of the results of studies of the state of salmon water bodies with different degrees of anthropogenic load in the Kamchatka Territory] / T. L. Vvedenskaya, A. V. Ulatov // Trudy VNIRO [Proceedings of VNIRO]. — Vol. 157. — 2015. — P. 173–188. [in Russian]
8. GOST 51592-2000. Voda. Obshhie trebovanija k otboru prob [Water. General requirements for sampling]. — Introduction. 21.04. 2000. — M., 2000 — 20 p. [in Russian]
9. Nalivaiko N.G. Rukovodstvo k prakticheskim zanjatijam po mikrobiologii vody [Guide to practical training in water microbiology] / N.G. Nalivaiko; Tomsk Polytechnic University. — Tomsk: Publishing house of the Tomsk Polytechnic University, 2010. — 114 p. [in Russian]
10. Tekanova E. V. Mikrobiologicheskaja indikacija zagrjaznenija vody reki Neluksa (Karelija) [Microbiological indication of water pollution in the Neluxa River (Karelia)] / E. V. Tekanova // Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta [Scientific Notes of Petrozavodsk State University]. — 2016. — No. 8 (160). — P. 109–114. [in Russian]
11. Arsentyeva N. Yu. Mikrobiologicheskaja harakteristika jekologicheskogo sostojanija reki Miass, Argazinskogo i Shershnevskogo vodohranilishh [Microbiological characteristics of the ecological state of the Miass River, Argazinsky and Shershnevsky reservoirs] / N. Yu. Arsentyeva, D. Yu. Nokhrin // Voda: himija i jekologija [Water: chemistry and ecology]. — 2011. — No. 6. — P. 2–8. [in Russian]
12. Ilyinsky V.V. Uglevodorodokisljajushhie bakteriocenozy nezagrjaznennyh presnyh vod i ih izmenenija pod vlijaniem neftjanyh uglevodorodov (na primere jugo-vostochnoj chasti Mozhajskogo vodohranilishha) [Hydrocarbon-oxidizing bacteriocenoses of unpolluted fresh waters and their changes under the influence of petroleum hydrocarbons (on the example of the southeastern part of the Mozhaisk reservoir)] / V. V. Ilyinsky, O. V. Porshneva, T. I. Komarova et al. // Mikrobiologija [Microbiology]. — 1998. — No. 2. — P. 267–273. [in Russian]
13. Gogoleva O. A. Uglevodorodokisljajushhie mikroorganizmy prirodnyh jekosistem [Hydrocarbon oxidizing microorganisms of natural ecosystems] / O. A. Gogoleva, O. V. Porshneva // Bjulleten' Orenburgskogo nauchnogo centra Uro RAN [Bulletin of the Orenburg Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences]. — 2012. — No. 2. — P. 1–7. [in Russian]