Факторы, влияющие на эффективность микробного консорциума в процессах деградации нефтепродуктов

Для безопасного восстановления и очистки почвы от нефтезагрязнений применяется биоремедиация. Биоремедиация может быть достигнута либо путем ускорения роста местного микробного сообщества с помощью биостимуляции, либо путем введения встречающихся в природе микроорганизмов с катаболическими способностями (биоаугментация), которые адаптированы к местным экологическим условиям [18]. В биоремедиации загрязненной нефтепродуктами почвы обычно взаимодействуют сообщества микроорганизмов, так как отдельный микроорганизм как правило метаболизирует ограниченный диапазон углеводородных субстратов. Популяции микроорганизмов, обладающие широкими ферментативными способностями, необходимы для увеличения скорости и степени биологического разложения нефтепродуктов. Помимо физико-химических факторов окружающей среды (температура, влажность, pH, аэрация, соленость), на процессы деградации углеводородов микроорганизмами существенную роль играют биотические факторы. Некоторые биотические факторы ингибируют ферментативную активность при микробной деградации органических соединений. Это может происходить, например, если существует конкуренция между микроорганизмами за ограниченные источники углерода, антагонистические взаимодействия между микроорганизмами или хищничество микроорганизмов простейшими и бактериофагами [8]. Для создания эффективного микробного консорциума, бактериальные культуры должны быть совместимы друг с другом без какого-либо антагонизма между собой, чтобы качественно метаболизировать и достигать высокого уровня деградации нефтепродуктов [14].

Адаптация экзогенных штаммов является ключевой проблемой при внесении их в нефтезагрязненную почву, так как автохтонные микроорганизмы редко проявляют удовлетворительную эффективность [13], при этом могут взаимодействовать и конкурировать с внесенным консорциумом [8]. Наличие в консорциуме штаммов, продуцирующих биосурфактанты, может обеспечить лучшую биодоступность углеводородов [14]. Однако в некоторых литературных источниках сообщается об отсутствии или даже негативном эффекте биосуфрактантов [9]. Многие исследователи продемонстрировали их ингибирующее действие [15]. Это объясняется их антибактериальной активностью, в частности, было показано, что рамнолипиды и софоролипиды способны разрушать биопленки [4]. Другое исследование показало, что липопептиды — более эффективные противомикробные средства по сравнению с гликолипидами [5]. Анализ биосурфактанта штамма Pseudomonas aeruginosa выявил антимикробную активность в отношении тестируемых патогенных штаммов как бактериальной, так и грибковой культуры [10]. Это может быть важным, поскольку грибки являются первыми ключевыми игроками в деградации загрязняющих веществ, превращая их в соединения, которые на более поздней стадии легче разлагаются бактериальным сообществом [18].

Эффект ингибирования зависит, среди прочего, от структуры поверхностно-активных веществ. Ингибирующий эффект может быть связан с высокой концентрацией ПАВ. Микрокалориметрические эксперименты показали, что ПАВ проявляли токсичность по отношению к микроорганизмам при высоких концентрациях [16]. Потенциальная токсичность биосурфактантов в отношении микробов при более высоких концентрациях может быть проблемой, влияющей на их применимость. Считается, что это не оказывает существенного влияния на жизнеспособность клеток, а способствует адгезии и переносу гидрофобных субстратов в клетки [21]. Lawniczak и др. (2013) отмечают, что эта проблема не является однозначной, поскольку, по некоторым данным, токсичность биосурфактантов низкая, в то время как другие исследования доказывают, что такие соединения часто проявляют антимикробные свойства [13].

Помимо этого, известно, что некоторые биосурфактанты проникают через мембраны липосомных систем. Увеличение проницаемости клеточной мембраны подразумевает потерю мембранных функций, что приводит к ингибированию роста, метаболизма и гибели микроорганизмов [21].

Поскольку биосурфактанты оседают на границе раздела нефть-вода, их присутствие может ограничивать контакт между микроорганизмами и субстратами и тем самым подавлять скорость биодеградации. Слой биосурфактанта создает препятствие для микробного поглощения углеводородов и поэтому должен быть удален для продолжения процесса биодеградации [13].

Большинство углеводородокисляющих бактерий способны разлагать только небольшой диапазон углеводородов с похожей структурой [11]. Результаты предыдущих исследований показали, что некоторые источники углерода, полученные не из нефтяных углеводородов (биогенные и антропогенные углеродистые органические соединения), легче метаболизируются микроорганизмами, что приводит к конкурентному метаболизму с нефтяными углеводородами [3].

Разнообразие ферментативных путей, как, например, у микобактерий, является преимуществом в конкуренции по сравнению со стратегией специализации (например, исключительно деградация алканов), поскольку микробы, проявляющие комбинированные активности, не зависят от присутствия только одного типа источника углерода. Эта особенность подразумевает более низкое конкурентное давление по сравнению со специализированными окислителями углеводородов [2].

Сульфатредукторы участвуют в разложении нефтепродуктов, используя продукты метаболизма нефтеокисляющих бактерий [12]. Нитратредуцирующие бактерии конкурируют с сульфатредуцирующими за органические доноры электронов и производят концентрации нитритов, которые подавляют рост сульфатредуцирующих бактерий. Подобно нитратредуцирующим, сульфидоокисляющие бактерии могут конкурировать с сульфатредуцирующими за разлагаемые составляющие нефти [12]. Cульфатредуцирующие бактерии осуществляют биогенное производство сульфида (биогенное окисление) [17]. H2S оказывает прямое, но обратимое ингибирующее действие на выработку рамнолипидов. Было показано, что продукция рамнолипидов Pseudomonas aeruginosa ингибируется H2S, но возобновляется в совместной культуре с Pseudomonas stutzeri [20].

Бактериофаги являются важной составной частью экологии почвы. Учитывая характер взаимоотношений фаг-хозяин, очевидно, что бактериофаги оказывают важное влияние, регулируя динамику бактериальной популяции [6]. В недавнем исследовании из аридных почв были выделены фаги, способные поражать Bacillus subtilis [19], продуцентов биосуфрактантов [1]. Количество фагов зависит от плодородия почвы, по мере загрязнения почвы нефтепродуктами количество фагов уменьшается [7]. К сожалению, изучение вирусов в почве значительно отстает от любых других экологических систем из-за неоднородности почвы, которая вызывает технические трудности в процессе экстракции [22].

Литература:

1. Изучение влияния штамма Bacillus subtilis Ж105–11, способного к синтезу биоПАВ, на вытеснение нефти // А. С. Сарсенова [и др.] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2017. — № 10 (часть 2). — С. 270–273.
2. Aerobic bacteria degrading both n-alkanes and aromatic hydrocarbons: an undervalued strategy for metabolic diversity and flexibility / J. Brzeszcz, P. Kaszycki // Biodegradation. — 2018. — V. 29, I: 4. —P. 359–407.
3. Aerobic degradation of crude oil by microorganisms in soils from four geographic regions of China / Qinglong Liu [et al.] // Scientific Reports. — 2017. — V. 7, № 14856.
4. Antibacterial properties of biosurfactants against selected gram-positive and -negative bacteria / M. A. Díaz de Rienzo [et al.] // FEMS Microbiology Letters.. — 2016 — V. 363, I: 2. — P. 1–8.
5. Antimicrobial activity of surfactants of microbial origin / T. P. Pirog [et al.] // Biotechnologia Acta. — 2019. — V. 12, № 1. — P. 39–57.
6. Bacteriophages in natural and artificial environments / S. Batinovic [et al.] // Pathogens. — 2019. — V. 8 (3). — P. 1–19.
7. Bacteriophages of soil bacilli: A new multivalent phage of Bacillus altitudinis / R. S. Mahmud [et al.] // Molecular Genetics, Microbiology and Virology. — 2017. — V. 32, I: 2. — Р. 87–93.
8. Biodegradation: involved microorganisms and genetically engineered microorganisms / N. T. Joutey [et al] // Biodegradation — Life of Science / N. T. Joutey [et al.]. — Rijeka: IntechOpen, 2013. — Chapter 11. — P. 289–320.
9. Biosurfactants: multifunctional biomolecules of the 21st century / D. K. F. Santos [et al.] // Int J Mol Sci. — 2016. — V. 17 (3). — P. 1–58.
10. Сharacterization of biosurfactant produced during degradation of hydrocarbons using crude oil as sole source of carbon / K. Patowary [et al.] // Front Microbiol. — 2017. — 8: 279. — P. 1–34.
11. Co-acclimation of bacterial communities under stresses of hydrocarbons with different structures / H. Wang [et al.] // Scientific Reports. — 2016. — V. 6, № 34588.
12. Compositions and abundances of sulfate-reducing and sulfur-oxidizing microorganisms in water-flooded petroleum reservoirs with different temperatures in China / H. Tian [et al.] // Front Microbiol. — 2017. — V. 8 (28). — P. 1–3.
13. Contributions of biosurfactants to natural or induced bioremediation / L. Lawniczak [et al.] // Applied Microbiology and Biotechnology. — 2013. — V. 97, № 6. — P. 2327–2339.
14. Development of an efficient bacterial consortium for the potential remediation of hydrocarbons from contaminated sites / K. Patowary [et al.] // Front Microbiol. — 2016. — V. 7. — P. 1–33.
15. Diverse effect of surfactants on pyrene biodegradation by a Pseudomonas strain utilizing pyrene by cell surface hydrophobicity induction / I. Ghosh, S. Mukherji // International Biodeterioration and Biodegradation. — 2016. — V. 108. — P. 67–75.
16. Effect of natural and synthetic surfactants on crude oil biodegradation by indigenous strains / W. Tian [et al.] // Ecotoxicol Environ Saf. — 2016. — V. 129. — P. 171–179.
17. Growth inhibition of sulfate-reducing bacteria in produced water from the petroleum industry using essential oils / P. M. de Souza [et al.] // Molecules. — 2017. — V. 22 (4). — P. 1–10.
18. Molecular and microbiological insights on the enrichment procedures for the isolation of petroleum degrading bacteria and fungi / G. Spini [et al.] // Front Microbiol. — 2018. — V. 9. — P. 1–43.
19. Occurrence of Bacillus thuringensis bacteriophages in the egyptian arid soil / A. S. M. Abo-Senna // International Journal of Virology and Molecular Biology. — 2017. — V. 6 (1). — P. 1–8.
20. Production of rhamnolipids by Pseudomonas aeruginosa is inhibited by H₂S but resumes in a co-culture with P. stutzeri: applications for microbial enhanced oil recovery / F. Zhao [et al.] // Biotechnol Lett. — 2015. — V. 37 (9). — P. 1803–8.
21. The impact of biosurfactants on microbial cell properties leading to hydrocarbon bioavailability increase / E. Kaczorek [et al.] // Colloids Interfaces. — 2018. — V. 2, № 35. — P. 1–22.
22. The ‘neglected’ soil virome — potential role and impact / A. A. Pratama, J. D. van Elsas // Cell Press Volume. — 2018. — V. 26, I: 8. — Р. 649–662.