1.2 Нефтеокисляющие микроорганизмы как маркеры загрязнения морской экосистемы

Человек живет в мире микробов, которые играют важную роль в формировании жизненно важных явлений и процессов в биосфере, таких как газовый состав атмосферы, плодородие почв, образование грунтовых вод, полезных ископаемых [20]. Микроорганизмы участвуют в пищеварительном цикле, обеспечивают самоочищение планеты. Важное значение имеет микрофлора организма человека, определяющая его микроэкологию и участвующая в формировании колонизационной резистентности, активации иммунной системы, детоксикации вредных веществ [20,21].

В зависимости от среды обитания микроорганизмы разделяются на свободноживущих и паразитических [22]. Свободноживущие микроорганизмы заселяют литосферу, гидросферу и атмосферу, обитают в различных антропогенных средах (жилища, одежда, продукты, химические препараты, в том числе лекарственные, и др.) [24]. Попадая в организм человека и заселяя различные его биотопы, микроорганизмы в ряде случаев вызывают инфекционные заболевания.

Вода открытых морских и пресноводных водоемов, так же как и почва, является естественной средой обитания разнообразных бактерий, грибов, вирусов, микроскопических водорослей, простейших. Совокупность водных микроорганизмов составляет микробный планктон.

На качественный состав микрофлоры воды основное влияние оказывает происхождение воды как среды обитания: пресные поверхностные (воды рек, ручьев, озер, прудов и водохранилищ), подземные (почвенные, грунтовые, артезианские), атмосферные (дождь, снег) и соленые (морские и озерные) воды [25].

Состав микроорганизмов и их функции различны на поверхности воды и на дне (в иле). В иле активно протекают процессы микробной биодеструкции органического вещества, а также хемоаутотрофного, метилотрофного и гетеротрофного синтеза. На поверхности воды микроорганизмы образуют пленку, в которой энергично протекают процессы фотосинтеза. В прибрежной зоне открытых водоемов, особенно вблизи крупных населенных пунктов, вода содержит большое количество заносных микроорганизмов (патогенных и условно-патогенных в том числе), обитающих в кишечнике животных и самого человека. Таким образом, в соответствии с особенностями конкретной водной среды формируется и характер микрофлоры. В водных экосистемах микрофлора образуется двумя группами микроорганизмов: аутохтонными (собственно водными, характерными для конкретного участка экосистемы) и аллохтонными (попадающими извне либо при бурении и разработке дна моря или водоема) [25].

Аутохтонная микрофлора напоминает микрофлору почв, с которой вода соприкасается (придонные и прибрежные воды). В состав специфической водной микрофлоры входят Micrococcus candicans и M. roseus, Sarcina lutea, Bacterium aquatilis communis, Pseudomonas fluorescens, различные виды Proteus и Leptospira. Из анаэробов выделяют Вacillus cereus, B. mycoides, Chromobacter violaceum, виды Clostridium. Из патогенных микроорганизмов в водных экосистемах могут встречаться Clostridium botulinum, виды Actinomyces, некоторые возбудители микотоксинозов и подкожных микозов [25]. В силу специфического минерального состава микроорганизмы морских экосистем являются представителями мезосапробной зоны (т.е. зоны умеренного загрязнения). Для такой зоны характерно доминирование окислительных и нитрификационных процессов. Качественный состав микрофлоры разнообразен: облигатные аэробные бактерии, а также виды Clostridium, Pseudomonas, Mycobacterium, Flavobacteruim, Streptomyces, Candida и др. Общее количество микроорганизмов может достигать сотен тысяч в 1 мл.

В морских экосистемах встречаются особо охраняемые зоны чистой воды (олигосапробные зоны), где содержание микроорганизмов колеблется от 10 до 1000 в 1 см³ воды.

Вблизи крупных населенных пунктов можно обнаружить зоны сильного загрязнения морской воды (полисапробные зоны), в которой содержится свыше миллиона бактерий в 1 см³. Микробный биоценоз подобных зон особенно обилен, а видовой состав представлен анаэробами, грибами и актиномицетами.

Популяция микроорганизмов в любой экосистеме, в том числе и морской, изменяется в зависимости от конкретных условий. Специалисты, изучающие эволюционные процессы в биосфере, в частности анализирующие распределение организмов внутри популяции, выделяют четыре основных типа стратегий их адаптации [26, 27]. Первый тип стратегии реализуется в полной мере в условиях достаточности ресурса и характеризуется экспоненциальным ростом численности, активностью к распространению и захвату экологических ниш и высокой скоростью метаболизма.

Второй тип стратегии реализуется в условиях конкуренции, ограниченности территории, влияния других биологических видов. Этот тип стратегий характеризуется определенным самоограничением за счет конкуренции, отбором особей, уменьшением прироста численности с увеличением популяции, умеренным метаболизмом.

Третий тип стратегии реализуется в ответ на рост неблагоприятных факторов, недостаток ресурсов, прессинг других организмов. При таком типе существенно изменяется скорость метаболизма, темп и течение ряда физиологических процессов.

Четвертый тип стратегии реализуется при крайне неблагоприятных условиях. Здесь велика вероятность качественных изменений, появляются мутанты, новые свойства закрепляются на генетическом уровне. Исходом является переход в новую экологическую нишу и возврат к первой стадии (первому типу стратегии).

Важно подчеркнуть, что в рамках популяции реализуются в той или иной мере все стратегии адаптации. В результате воздействия факторов окружающей среды и изменений внутреннего состояния организма соотношение между долями популяции, соответствующими различным стратегиям, изменяется. Переходы от одного типа стратегии к другому определяются множеством условий и лимитирующих факторов.

Вышеизложенное в полной мере относится к появлению в морской экосистеме популяций нефтеокисляющих микроорганизмов. Безусловно, некоторые представители аутохтонной микрофлоры в силу особенностей метаболизма и состояния ферментных систем способны использовать углеводороды нефти в качестве источника углерода. Однако появление в олигосапробной зоне морской экосистемы и увеличение численности видов микроорганизмов, относящихся к индикаторным, свидетельствует о локальном изменении качества окружающей среды [28]. Такие индикаторные виды становятся маркерами (от франц. marquer – отмечать) того или иного загрязнения. Применительно к нефтеокисляющим микроорганизмам термин маркер точно характеризует конкретные виды, для которых известна принадлежность к нефтяным месторождениям и, как правило, имеется легко обнаруживаемое фенотипическое выражение (ферментативная активность и др.). Существуют, по крайней мере, три достаточно убедительные предпосылки, позволяющие говорить о загрязнении морской экосистемы на основании выделения маркерных нефтеокисляющих микроорганизмов [29]. Первая предпосылка заключается в широком распространении аэробных и анаэробных микроорганизмов различных физиологических групп в нефтяных месторождениях, разрабатываемых с применением различных технологий. Ряд микроорганизмов не теряют жизнеспособности в условиях пласта и остаются биохимически активными. Вторая предпосылка основывается на многообразных способностях микроорганизмов к преобразованию сложных углеводородов нефти до более простых и лабильных органических соединений, а также на способность их к образованию таких признанных агентов нефтевытеснения, как СО₂, СН₄, жирные кислоты, спирты, полисахариды, поверхностно-активные вещества и другие технологически активные соединения. Третья предпосылка состоит в способности микроорганизмов продуцировать нефтевытесняющие соединения непосредственно в пласте – в зонах и микрозонах, содержащих остаточную нефть, что в свою очередь способствует появлению микроорганизмов за пределами нефтяного пласта.

Как известно, существующие способы разработки нефтяных месторождений дают возможность извлекать из недр не более половины геологических запасов нефти, а на месторождениях с карбонатными коллекторами величина нефтеизвлечения снижается до 20% [30]. Микроорганизмы используются в биотехнологии повышения нефтеизвлечения. С этой целью в нефтяной пласт вводят суспензии бактерий из родов Bacillus, Desulfovibrio, Aspergillus, Clostridium, Micrococcus, Pseudomonas, Artrobacter, Peptococcus, Mycobacterium и микроорганизмы других таксономических групп. Таким образом, существует реальная возможность появления в окружающей среде технофильных микроорганизмов, используемых в биотехнологии нефтеотдачи. Кроме того, для изучения распространения микроорганизмов и анализа геохимической обстановки в призабойных участках нагнетательных скважин используется метод обратного слива воды из нагнетательных скважин, которые становятся источником своеобразного микробного загрязнения окружающей среды [29].

В заключение необходимо подчеркнуть, что весь цикл человеческой деятельности неразрывно связан с образованием загрязнений. Наряду с энергетикой, промышленностью, транспортом мощным источником загрязнений служит добыча сырья. Выросла развитая инфраструктура нефтяной и газовой промышленности. Нефтезагрязнения, как и другие виды загрязнения, изменяют состав и свойства окружающей среды, к которой приспособились живые организмы. Свидетелями загрязнения окружающей среды, в том числе морских акваторий, еще на начальных этапах этого процесса могут быть индикаторные виды микроорганизмов, в частности нефтеокисляющие микроорганизмы как маркеры загрязнения нефтью и нефтепродуктами.