CASPIY.NET

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 10млн 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]

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 илегкоокисляемым органическим веществам, а во втором случае, когда концентрация НУ становится сопоставимой концентрации легкоокисляемыхорганических 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 самоочищающейспособности 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.

    ---