Вестник Дагестанского научного центра РАН, 2002, № 11.

УДК 574 5(635)

О РОЛИ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПРОЦЕССАХ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД

ДАГЕСТАНСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ ОТ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

А.М.Бутаев, Н.Ф.Кабыш

Бутаев Ахмед Магомедович – доктор технических наук, главный научный сотрудник Прикаспийского института биологических ресурсов ДНЦ РАН.

Кабыш Наталья Фаридовна – аспирант Прикаспийского института биологических ресурсов ДНЦ РАН.

По результатам микробиологических исследований установлено, что критическая антропогенная нагрузка нефтяного загрязнения приповерхностного слоя территориальных вод Дагестана не должна превышать 10 тысяч тонн в год, а всей акватории Каспийского моря - 400 тысяч тонн в год.

Каспийское море является первым крупным водоемом в мире, который начал подвергаться масштабному нефтяному загрязнению [1, 2]. По расчетам М.А.Салманова [2], с эпохи открытия бакинской нефти в Южный Каспий поступило (при добыче и транспортировке) 2,5 млн т сырой нефти, что в корне изменило условия среды в западном шельфе. Так, в акваториях Апшерон-Бакинского архипелага практически полностью уничтожены фито- и зообентос, созданы анаэробные условия в донных отложениях, а с 1961 года первичная продукция фотосинтеза фитопланктона здесь сократилась в 50 раз.

Заметное ухудшение экологического состояния отмечено в последние годы на Северном Каспии и в прибрежных водах Туркменистана, Казахстана, Дагестана. Массовая гибель рыбы и тюленя, присутствие в организмах гидробионтов паразитарных (анизакиды, псевдоамфистомиды, эустронгилиды и др.) и патогенных (протеи, вибрионы, протеи вульгарис и др.) бактерий, проявление таких физиолого-морфологических отклонений осетровых, как расслоение мышц и разрыв-расслабление оболочки икры, нарушение ионного и белкового гомеостаза, углеводного и липидного обмена, эритропия и лейкопетия, дистрофия и некроз печени, изменения в почках и половых железах, нарушение гамето- и гонадогенеза, образование новообразований и опухолей, появление многоядерных ооцитов с цитотомией уже стали заурядными явлениями, присущими не отдельным локальным участкам Каспия, а едва ли не всей акватории моря.

Бесспорно, не все экологические аномалии Каспия обязаны своим происхождением антропогенным нефтяным углеводородам (НУ) – помимо нефти в море поступает огромное количество других, не менее опасных, поллютантов, ксенобиотиков, канцерогенов. Например, в теле осетровых и других рыб, отловленных в прибрежных водах Дагестана, зафиксированы хлорорганические пестициды и тяжелые металлы в количествах, превышающих ПДК для пищевых продуктов. И браконьерство на Каспии уже достиг уровня, способного нарушить биологическое равновесие моря, и начавшееся в 2000 году вселение мнемиопсиса способно вызвать необратимые изменения каспийской экосистемы. Однако анализ "динамики" экосистемы Каспия за прошедший двадцатый век, проведенный разными исследователями [1-5], позволяет отнести нефтяное загрязнение к одному из основных факторов, определяющих экологическое состояние моря. Общее количество содержащихся в Каспийском море НУ оценивается величиной 10 млн тонн [6], и они выступают не только в качестве автономных токсинов, но и как вещества, усугубляющие негативное действие других поллютантов. Проблема нефтяного загрязнения Каспийского моря приобрела особую остроту и злободневность в связи с предстоящим крупномасштабным освоением углеводородных запасов его шельфа всеми Прикаспийскими государствами одновременно - к 2010 году ожидается прирост добычи каспийской нефти на 350-400 млн тонн [6].

По мнению многих специалистов, такое сплошное освоение шельфа неизбежно приведет к экологической катастрофе. Эти опасения мы разделяем, но они, к сожалению, до сих пор не получили количественных, научно обоснованных доказательств, кроме, скажем, случаев "претворения в жизнь" вполне вероятных аварийных разливов больших объемов нефти. При знакомстве с проблемой нефтяного загрязнения Каспия невольно обращаешь внимание на одно обстоятельство – на фоне огромного числа литературных источников, констатирующих нефтяное загрязнение моря как таковое и столь же многочисленных заявлений о возможностях экологической катастрофы, данные об элиминации нефти в морской среде настолько скудны и настолько противоречивы, что не позволяют сделать сколько-нибудь разумный вывод о самоочищающей способности моря от нефтяного загрязнения. На самом деле, о реальности экологической катастрофы можно говорить лишь в том случае, если доказано, что скорость поступления антропогенных нефтяных углеводородов в морскую среду превышает скорости их минерализации. Иными словами, речь идет о необходимости оценки ассимиляционной емкости Каспийского моря к нефтяному загрязнению, что и явилось целью данной работы.

Самоочищение моря от нефтяного загрязнения – сложный, многофакторный процесс, состоящий из одновременно протекающих физических, химических и биологических процессов: испарение, рассеяние, растворение, эмульгирование, агрегирование, сорбирование на взвесях, химическое и фотохимическое окисление, физическая и биологическая седиментация. Однако, согласно современным представлениям [3, 4, 7-9], единственным компонентом водных экосистем, способных разрушать антропогенных НУ и ввести их в естественный круговорот органических веществ, являются микроорганизмы; описано 70 родов микроорганизмов, включающих 28 родов бактерий (свыше 100 видов), 30 видов грибов и 12 видов дрожжей, окисляющих один или несколько углеводородов [10].

Существуют несколько методов изучения процессов микробного окисления НУ - микробный счет, изучение индикаторных групп микроорганизмов, выделение СО₂, потребление кислорода или нефти и ее углеводородов [11-13]. Нами использовался традиционный метод – метод подсчета колоний на поверхности агаризованных сред (твердая среда Ворошиловой-Диановой) [14]. Отбор проб воды для микробиологического исследования[1] проводили с помощью стерильного батометра-бутылки объемом 1 л с глубины 5-20 см в районе городского пляжа и морского торгового порта г. Махачкалы [15]. Пробы воды отбирали в летний (при температуре воды 20-24 ^оС) и в зимний (при температуре воды 4-6 ^оС) сезоны. Интервал времени от момента отбора пробы и до начала ее анализа не превышал 30-40 мин. Полученные экспериментальные данные обобщены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость количества нефтеокисляющих бактерий от содержания нефти в морской воде

Анализ результатов исследования выявляет две специфические особенности. Первая заключается в том, что при фиксированной величине нефтяного загрязнения водной массы (при С_эну=const) количество нефтеокисляющих бактерий варьируется в чрезвычайно широких пределах (от 0 до 3·10⁵ кл/мл), вторая – в том, что при С_эну>20 мкг/л имеет место качественный скачок в повышении количества нефтеокисляющих бактерий в морской среде. Истинные причины этих явлений окончательно не ясны, но в качестве возможных можно выделить следующие.

Аналитически определяемая путем экстрагирования органическими растворителями (в нашем случае - CСl₄) и последующим пропусканием через колонку Al₂O₃ для отделения неполярных соединений нефть (вернее, экстрагируемые нефтяные углеводороды), присутствует в толще морской воды в самых разных формах [4, 9]. Часть нефти находится в виде истинного раствора (С^раств), другая - в эмульгированном виде (С^эмул), третья - в сорбированном на органических и минеральных взвесях виде (С^взв), четвертая - в виде нефтяных агрегатов (С^агр). Эти формы различаются как по количественному содержанию нефти, так и по качественному составу нефтяных углеводородов, и они в разной степени доступны микроорганизмам. По мере усложнения молекулярной структуры углеводородов, скорость микробной деструкции снижается - относительно устойчивы к биоокислению изопарафины, циклопарафины и особенно тяжелые ароматические фракции [16].

Очевидно также, что как соотношение С^раств:С^эмул:С^взв:С^агр, так и абсолютные значения каждого составляющего в заданной точке моря (в станции отбора проб) являются мобильными и изменяются в широких пределах в зависимости от факторов среды, наличия пленочной нефти, ее состава и всей предыстории. Так, относительное увеличение С^раств за счет растворения полярных соединений, возникающих в результате окислительных превращений нефтяных фракций, или изменение степени диспергированности эмульгированной нефти в случае присутствия в воде поверхностно-активных веществ, не изменяя суммарное содержание НУ, может привести к резкому увеличению контактной поверхности нефть-вода. Иными словами, само понятие "нефтяное загрязнение" является неопределенным. С другой стороны, количество бактериопланктона и его видовой состав при С_эну=const зависят от температуры, содержания кислорода и степени эвтрофированности водных масс [14, 17], а эти параметры прибрежных вод также изменяются в широких пределах.

Если теперь учесть, что микробное разложение нефти в заданной точке моря протекает на фоне постоянного поступления новых порций различных "форм" нефти из соседних участков, биодеградации легко окисляемых органических веществ, поступающих с береговыми стоками, продуцирования автохтонной органики самим морем за счет фотосинтеза, извлечения эмульгированной нефти планктонными фильтраторами и ее биоседиментации и многих других процессов, то становятся более или менее понятными причины столь большого разброса (рис. 1) экспериментальных данных.

Вопрос о разбросе экспериментальных данных не заслуживал бы столь пристального внимания, если бы не одно, но имеющее принципиальное значение обстоятельство. Впервые на микробное окисление нефти в морской среде указал Дж. Ортон в 1925 году [11]. Однако до сих пор в научной литературе дискутируются такие, казалось бы, простые вопросы, как существование корреляционной связи между численностью углеводородокисляющих бактерий и общим содержанием нефти в воде и влияние температуры на скорость биодеградации НУ. Ясно, что корректность решения именно отмеченных вопросов определяет корректность оценки самоочищающей способности морских экосистем от нефтяного загрязнения.

Для получения количественных представлений о масштабах противоречий сошлемся на некоторые литературные источники. В таблице приведенные данные М.А.Салманова по содержанию нефтеокисляющих бактерий в водах западного шельфа Южного Каспия. Можно заметить, во-первых, что в водах, в которых концентрация нефтяных углеводородов составляет 1,2 и 67,1 мг/л содержится одинаковое количество нефтеокисляющих бактерий и, во-вторых, что между С_ну и N отсутствует какая-либо корреляция. Еще большие разногласия выявляются при сравнении результатов исследований разных авторов. Так, согласно [2], максимальное число нефтеокисляющих бактерий в самых загрязненных участках Каспия (Бакинская бухта) не превышает 2·10⁴ кл/мл, тогда как по данным [10, 11], в водах Северного Каспия, загрязненных нефтью в значительно меньшей степени, число нефтеокисляющих бактерий достигает 3·10⁷ кл/мл. Результаты наших исследований показывают (рис. 1), что предельное число нефтеокисляющих бактерий в прибрежных водах Дагестана достигает 3·10⁵ кл/мл.

Таблица. Численность нефтеокисляющих бактерий в воде западного шельфа Каспия (Бакинская бухта, М.Шихова, устье р. Куры, Нефтяные Камни) в летний сезон [2]

Сну, мг/л N, кл/мл	Сну, мг/л N, кл/мл
0.3 300 0.9 400 0.9 1000 1.2 20000 1.3 600 1.3 1000 1.8 1000 1.8 20000 4.2 10000	4.6 20000 6.8 10000 7.3 10000 11.4 20000 18.4 2000 23.2 2000 43.6 20000 44.3 20000 67.1 20000

Есть еще одно противоречие, заслуживающее внимание. Число нефтеокисляющих бактерий вдоль западного шельфа Каспийского моря - от Волги до Махачкалы, по данным [2], не превышает 8% числа сапрофитных бактерий. Примерно такое же соотношение (10%) установлено для вод Северного моря [18]. Эти результаты противоречат данным [11], согласно которым в прибрежных районах моря, подверженных хроническому загрязнению нефтью, соотношение углеводородокисляющих бактерий с общим микробным и сапрофитным населением колеблется в пределах 0.1-10% и 35-80% соответственно, а в случаях аварийного разлива нефти количество углеводородокисляющих бактерий может даже превышать содержание сапрофитной микрофлоры. По нашим данным (см. рис. 1 в [15]), в прибрежных водах Дагестана количество нефтеокисляющих бактерий может составить 20 и более процентов от общего числа сапрофитов.

В своей первой работе по микробному окислению нефтяных углеводородов [19] мы отрицали существование корреляционной связи между численностью углеводородокисляющих бактерий и общим содержанием нефти в морской воде. Такого же мнения придерживаются и авторы [2, 20]. Но, в то же время, имеется достаточно большое число работ [3, 12], утверждающее противное. Как, однако, показал тщательный анализ экспериментальных данных, и то, и другое воззрение, в известном смысле, верно.

Рис. 2. Зависимость количества нефтеокисляющих бактерий от содержания нефти в морской воде. Летний сезон, С_эну<20 мкг/л.

При низких концентрациях нефтяных углеводородов в морской воде (при С_эну<20 мкг/л) между С_эну и N корреляционная связь не выполняется (рис. 2), а при высоких (при С_эну>20 мкг/л), такая связь выполняется достаточно отчетливо (рис. 3, 4). По нашему мнению, это обусловлено тем, что в первом случае микроорганизмы отдают предпочтение присутствующим в морской воде более доступным автохтонным углеводородам и легкоокисляемым органическим веществам, а во втором случае, когда концентрация НУ становится сопоставимой концентрации легкоокисляемых органических веществ, микроорганизмы начинают использовать для своего роста и развития нефтяные углеводороды.

Рис. 3. Зависимость количества нефтеокисляющих бактерий от содержания нефти в морской воде. Летний сезон, С_эну>20 мкг/л.

Рис. 4. Зависимость количества нефтеокисляющих бактерий от содержания нефти в морской воде. Зимний сезон, С_эну>20 мкг/л.

Как мы уже отмечали, в литературе нет единого мнения и в вопросе влияния температуры на окислительную активность бактерий – одни авторы [21] констатируют снижение биодеградации нефти с понижением температуры водной массы, другие [22] считают, что окисляющие нефть микроорганизмы адаптируются к низким температурам и интенсивно разлагают нефтяные углеводороды при температурах вплоть до 2^оС. Судя по полученным нами данным (рис. 3, 4), уменьшение температуры каспийской воды с 20-24^оС до 4-6^оС понижает численность нефтеокисляющих бактерий почти в 3 раза, что, казалось бы, должно привести к замедлению процессов самоочищения и накоплению НУ в морской среде. На самом же деле, содержание НУ в прибрежных водах Дагестана в зимний период, как правило, в 2-3 раза ниже, чем в летний сезон, и этот факт указывает на высокую активность углеводородокисляющих бактерий в зимний сезон. Правда, указанное явление может иметь альтернативное объяснение – оно может быть следствием меньшего поступления НУ в море в зимний период.

Опубликованные данные по скорости микробного разрушения нефтяных углеводородов в разных морских водоемах демонстрируют удручающую (с точки зрения исследователя) вариабельность - она изменяется от 0.7 до 500 мг/(л·сутки) [3, 4, 7-11]. По данным А.В.Цыбань, при оптимальном термическом (20-25 ^оС) и газовом режиме смешанное бактериальное население Каспийского моря потребляют нефть со скоростью 160 мг/л в сутки, а удельная деструкция нефти бактерионейстоном в поверхностном микрослое составляет 5·10^-10 - 1.5·10^-9 мг нефти на 1 клетку в час. Отсюда делается вывод о том, что суммарное количество углеводородов, которое может окислить бактерионейстон Каспийского моря за летний период доходит до 9 тысяч тонн. Такого же мнения о самоочищающей способности Каспия придерживаются и авторы [10].

Результаты наших исследований заметно расходятся с опубликованными и показывают, что нижний уровень скорости минерализации НУ активными культурами в слое 0-20 см составляет около 35 мкг/(л·сутки) в летний период и около 10 мкг/(л·сутки) в зимний период. Отсюда следует, что критическая антропогенная нагрузка нефтяного загрязнения приповерхностного слоя территориальных вод Дагестана не должна превышать 10 тысяч тонн в год, а всей акватории Каспийского моря – 400 тысяч тонн в год.

Что означает эта оценка, и какие выводы можно сделать на ее основе? Наша оценка свидетельствует о колоссальных потенциальных возможностях Каспийского моря к самоочищению от нефтяного загрязнения. Она, в частности, ограничивает величину теряемой при полномасштабной реализации планов освоения углеводородных ресурсов шельфа Каспия, о которых говорилось выше, на уровне 0.05-0,10% добываемой нефти. Судя по показателям нефтяных компаний, работающих на Северном море [4, 6], это вполне достижимый уровень. Но этот оптимистичный вывод, к сожалению, приходится подкреплять несколькими неоптимистичными.

Во-первых, как это не покажется абсурдным с первого взгляда, наличие нефтеокисляющих бактерий в морской среде еще не означает присутствие там антропогенной нефти; в Каспийское море нефть поступает и естественным образом, а углеводороды, подобные нефтяным, непрерывно синтезируют растения и бактерии. Подтверждением тому является отсутствие корреляции между С_эну и N при малых концентрациях НУ и ее слабовыраженность при высоких концентрациях НУ. Поэтому, полученная без учета генерации микрофлоры в условиях in situ и биохимической активности чистых и смешанных культур, оценка с экологической точки зрения в худшем случае может быть заниженной, в лучшем – завышенной. Кроме того, осуществленная нами экстраполяция полученных вблизи уреза воды экспериментальных данных в районы открытых морских вод, вряд ли можно признать корректной.

Во-вторых, если сейчас в балансе нефтяного загрязнения Каспийского моря доминирующую роль принадлежит береговым источникам и речному стоку, которые поставляют "старую" нефть с усеченным набором компонентов, то по мере освоения шельфовых месторождений вклад "свежей" нефти с полным комплектом соединений будет возрастать, и это может изменить экологический статус нефтяного загрязнения моря. Принципиально важно и то, что в Каспий одновременно с НУ во все возрастающих масштабах будет поставляться легко окисляемое органическое вещество, которое в существенной степени снижает биоразложение нефти.

В-третьих, микробное разложение нефти вызывает нарушение естественных соотношений между микро- и макроорганизмами, изменение гидрохимического состава среды, образование токсичных продуктов метаболизма (гидроперекиси, фенолы, кетоны, альдегиды, антрацен, бенз(а)пирен и др.), и, таким образом, вызывает изменение во всей трофической цепи. Более того, сама биомасса нефтеокисляющих бактерий, по мнению некоторых авторов [23], обладает токсичными свойствами. Очевидно и то, что дополнительное внесение даже весьма малых количеств нефти негативно отразится на закономерностях взаимодействия моря и атмосферы и заметно скажется на его уровенном режиме.

И, наконец, в-четвертых, переработанные нефтеокисляющими бактериями производные нефти, будут способствовать увеличению трофности моря, поскольку органическое вещество поставляемое "через нефть" станет сопоставимым с органическим веществом, поставляемым речным стоком. Возможно, именно это обстоятельство станет фактором, ограничивающим предельный уровень добычи нефти на шельфе Каспийского моря.

Отмеченные (возможно и другие) вторичные выводы заставляют нас относиться к собственной оценке самоочищающей способности Каспийского моря от нефтяного загрязнения с осторожностью.

Сегодня приходится согласиться с мнением С.А.Патина о том, что современные знания о поведении нефти в природных условиях и о факторах, определяющих это поведение, еще недостаточны для строгих количественных расчетов ассимилирующей способности морских экосистем. Проведение систематического микробиологического контроля прибрежных морских вод не требует больших материальных затрат, доступно даже плохо оснащенным лабораториям и может быть синхронно осуществлено всеми Прикаспийскими странами в пределах своих территориальных вод. Как нам представляется, реализация такой совместной программы позволит получить более достоверные количественные данные о самоочищающей способности Каспийского моря от нефтяных углеводородов, и более обоснованно прогнозировать возможные последствия влияния освоения шельфовых нефтегазовых месторождений на морские экосистемы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Касымов А.Г. Экология Каспийского озера. Баку, 1994. – 237 с.
2. Салманов М.А. Экология и биологическая продуктивность Каспийского моря. Баку. 1999. 400 с.
3. Миронов О.Г. Биологические ресурсы моря и нефтяное загрязнение. М.: Пищепромиздат, 1972. 105 с.
4. Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. М.: Изд-во ВНИРО, 1997. -350 с.
5. Бутаев А.М., Гаджиев А.З., Гасанов Ш.Ш., Монахов С.К. Современное состояние и возможное направление развития экосистемы Каспийского моря // Вестн. ДНЦ РАН. 1999. № 4. С. 85-95.
6. Бутаев А.М. Каспий: статус, нефть, уровень. Махачкала, 1999. 221 с.
7. Израэль Ю.А., Цыбань А.В. Антропогенная экология океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1989. 528 с.
8. Нельсон-Смит А. Нефть и экология моря. М.: Прогресс, 1977. 301 с.
9. Себостян А. Герлах. Загрязнение морей. Диагноз и терапия. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 262 с.
10. Иванов В.П., Сокольский А.Ф. Научные основы стратегии защиты биологических ресурсов Каспийского моря от нефтяного загрязнения. Астрахань: Изд-во КаспНИРХа, 2000. – 181 с.
11. Цыбань А.В., Симонов А.И. Процессы микробного окисления нефти в море // Человек и биосфера. Изд-во МГУ. 1979. С. 143-159.
12. Миронов О.Г. Нефтеокисляющие микроорганизмы в море. Киев. 1971.
13. Розанова Е.П., Кузнецова С.Е. Микрофлора нефтяных месторождений. М., Наука. 1974.
14. Романенко В.К., Кузнецов С.И. Экология микроорганизмов пресных водоемов. Лабораторное руководство. Л.: Наука, 1974. 194 с.
15. Бутаев А.М., Рыбникова В.И., Гаджиев А.З. Бактериальное загрязнение прибрежных вод Каспия в районе Махачкалы // Вестн. ДНЦ РАН. 1998. № 1. С. 69-73.

16. Soli G., Bene E. Selective substrate utilisation ba marine hydrocarbonclastic bacteria // Biotechnol. A. Bioeng. 1973. Vol. 15, № 2.

17. Ильинский В.В., Поршнева О.В., Семененко М.Н. Углеводородокисляющие микроорганизмы в прибрежных и открытых водах Можайского водохранилища // Водные ресурсы. 1998. Т. 25, № 3. С. 335-338.
18. Atlas R.M. Bacteria and bioremidiation of marine oil spills // Oceanus. 1993. V.36, № 2. P.71.

19. Уцов С.А., Шаймарданова Н.Ф., Бутаев А.М. Нефтяное загрязнение и бактериопланктон Северного Каспия // Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане. Махачкала, 1999. С. 173.

20. Еремеева С.В.,Курапов А.А., Мельников С.А. Современное экологическое состояние северной части Каспийского моря в зимне-весенний период // Вестн. МАНЭБ. 1999. № 9. С. 51-55.
21. Коронелли Т.В., Ильинский В.В., Семененко М.М. Нефтяное загрязнение и стабильность морских экосистем // Экология. 1994. № 4. С. 78-81.
22. Bruns K., Dahlmann G.D., Gunkel W. Distribution and activity of petroleum hydrocarbon degrading bacteria in the North and Baltic Seas // Deatsche Hydrographische Zeitschrift. 1993. H.6. S. 359-369.

23. Красильников Н.А., Цыбань А.В., Коронелли Т.В. Усвоение н-алканов и сырой нефти морскими бактериями // Океанология. 1973. № 5.

---

[1] Микробиологические исследования выполнены Рыбниковой В.И.