Введение к работе
Актуальность проблемы. Активное развитие атомной промышленности привело к накоплению огромного количества жидких низкоактивных отходов (НАО). На территории России жидкие НАО накапливались в емкостях-накопителях исследовательских организаций, в бассейнах-накопителях, как на ФГУП «Горно-Химический Комбинат» (г. Железногорск, Красноярский край), в водоемах естественного происхождения, как на ФГУП ПО «Маяк» (г. Озерск, Челябинская обл.). К водоемам естественного происхождения относятся оз. Карачай и Теченский каскад водоемов в районе заводов ФГУП ПО «Маяк». Ряд пресных озер этого региона попали под Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС), возникший при взрыве емкости для хранения высокоактивных отходов на предприятии в 1957 г.
Попавшие в водоемы радионуклиды находятся в различных физико-химических формах и могут мигрировать в воде водоема, переносятся за его пределы с грунтовыми водами, в результате чего радиоактивному загрязнению могут подвергаться обширные территории. Учитывая, что к настоящему времени основными загрязнителями жидких НАО являются долгоживущие радионуклиды 137Cs (Т1/2 = 30,2 года) и 90Sr (Ту2 = 28,8 года) (Суслов и др., 2010), обеспечение охраны окружающей среды и радиационной безопасности населения от таких радионуклидов является важной проблемой.
На сегодняшний день методы биоремедиации (биологической очистки) являются наиболее перспективными методами очистки вод от широкого круга загрязняющих веществ (Alexander, 1994; Lop, Tar, 2000; Neu et al., 2002; NABIR, 2003). Пресноводные организмы способны весьма сильно концентрировать большинство химических элементов, находящихся в воде в очень малых концентрациях (Тимофеева-Ресовская, 1960). При этом данные организмы обладают относительно высокой резистентностью к излучателям (Шевченко и др., 1992). Способность фототрофных микроорганизмов сорбировать/аккумулировать радионуклиды и тяжелые металлы отмечалась многими авторами (Giesy, Paine, 1976; Nakajima, Sakaguchi, 1986; Gadd, 1990). Широкое распространение фототрофов в озерах, особенно в теплые периоды года, позволяет рассматривать их биомассу как возможный биосорбент для избирательной сорбции радионуклидов (Parker et al, 1996).
В этом плане особый интерес представляют цианобактерии и микроводоросли, выделенные из биопленок обитателей водоемов жидких НАО ФГУП ПО «Маяк» и озер, расположенных на ВУРСе, которые находились под влиянием длительного радиационного воздействия.
Данная работа является частью систематических исследований и сбора штаммов фототрофных микроорганизмов в коллекции музея живых культур микроорганизмов CALU (Collection of Algae of Leningrad University, № 461 в Международном Реестре Микробных Коллекций) (Pinevich et al, 2002), имеющих значение для биоремедиации.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было выделение штаммов фототрофных микроорганизмов (цианобактерий и микроводорослей) из биопленок водоемов, загрязненных жидкими низкоактивными отходами, изучение их адаптации к радиации, биосорбции радионуклидов биомассой штаммов, изучение их наиболее важных в экологическом плане свойств с перспективой использования в целях биоремеднации.
Для выполнения этой цели были поставлены следующие задачи:
Выделение, очистка, идентификация и введение в коллекцию CALU фототрофных микроорганизмов из радиоактивно загрязненных ценозов.
Изучение устойчивости штаммов цианобактерий и микроводорослей к гамма- и ультрафиолетовому- облучениям, к сточной жидкости, нитратам, повышенной концентрации NaCl; определение диапазона рН и температуры для культивирования штаммов; изучение токсичности штаммов.
Оценка способности клеток к иммобилизации на капроновом носителе и восстановлению роста после высыхания.
Изучение биосорбции радионуклидов клетками штаммов цианобактерий и микроводорослей; изучение влияния физико-химических условий на биосорбцию.
Исследование десорбции радионуклидов, связанных биомассой штаммов цианобактерий и микроводорослей.
Научная новизна работы. Впервые проведено систематическое исследование фототрофных микроорганизмов из водоемов жидких НАО ФГУП ПО «Маяк» и озер, расположенных на ВУРСе. Экологически перспективные штаммы цианобактерий и микроводорослей, выделенные из вод, загрязненных радиоактивными отходами, сохранены в коллекции музея живых культур микроорганизмов СПбГУ CALU. Изучена устойчивость штаммов цианобактерий и микроводорослей к гамма- и ультрафиолетовому- (УФ) облучениям. По показателям радиорезистентности к гамма- и УФ- облучению штаммы, выделенные из загрязненных радионуклидами водоемов, сравнены с контрольными штаммами коллекции CALU , выделенными из нерадиоактивных мест обитания. Определены оптимальные значения температур и рН для роста штаммов. Показана устойчивость штаммов к различной концентрации нитратов, повышенной концентрации NaCl и сточной жидкости. Определена токсичность штаммов по отношению к тест-объекту Daphnia magna. Показана способность к иммобилизации клеток выделенных штаммов на капроновых субстратах с большой удельной поверхностью и способность штаммов к длительному хранению и последующему восстановлению роста разбавленной основной средой после высыхания - биотехнологически важные свойства при создании биофильтров и сухого препарата соответственно. Впервые выполнены исследования по изучению взаимодействия с радионуклидами фототрофных микроорганизмов из водоемов жидких НАО ФГУП ПО «Маяк» и озер, расположенных на ВУРСе. Определены штаммы цианобактерий и
микроводорослей сорбирующие радионуклиды: Pu(IV), U(VI), Am(III) и 90Sr(II).
Научно-практическая значимость работы. Доказано, что штаммы, выделенные из районов с повышенным радиационным фоном облучения обладают более высоким уровнем устойчивости к гамма- и УФ- облучениям (радиоадаптацией), по сравнению с контрольными. Фототрофные микроорганизмы, выделенные из загрязненных водоемов, могут использоваться как эталон устойчивости фототрофных микроорганизмов к радиации, для мониторинга радиоактивно загрязненных территорий и как индикаторы антропогенного загрязнения окружающей среды радионуклидами: Pu(IV), U(VI), Am(III) и 90Sr(II). Знание физиологии фототрофных микроорганизмов и влияния физико-химических условий на избирательную биосорбцию позволят оптимизировать процесс доочистки и очистки загрязненных вод. Штаммы микроводорослей и цианобактерий могут использоваться для разработки методов биоремеднации.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на VI Всероссийской школе по морской биологии (Мурманск, 2007); Региональной молодежной научной конференции «Экологическая школа в г. Петергофе» (2007); Международном симпозиуме «7th International Symposium for Subsurface Microbiology» (Shizuoka, Japan, 2008); 6-ой Российской конференции «Радиохимия-2009» (Москва, 2009); Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009); Московской Международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов» (Москва, 2010); на молодежной научной конференции, ПИЯФ им. Б.П. Константинова (Гатчина, 2010).
Личный вклад соискателя состоял в проведении микробиологических, радиохимических исследований, обработке экспериментальных результатов. Микробиологические эксперименты выполняли в лаб. микробиологии СПбГУ (зав. лаб., д.б.н., профессор А.В. Пиневич). Радиохимические исследования проводили в лаб. экологических проблем обращения с радиоактивными и токсичными отходами ИФХЭ РАН (зав. лаб., к.х.н. Е.В. Захарова), в ПИЯФ им. Б.П. Константинова (гр. индуцибельных систем клетки, д.б.н. В.Н. Вербенко) и лаб. ИНМИ РАН (зав. лаб., д.б.н., профессор С.С. Беляев).
Публикации. Материалы диссертации представлены в 8 печатных изданиях, включая 3 статьи и 5 тезисах конференции.
Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 135 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков и 33 таблицы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы и экспериментальной части, содержащей «Объекты и методы исследования», «Результаты исследований и их обсуждения», «Заключение», «Выводы» и «Список литературы», включающий 93 отечественных и 123 зарубежных наименований.
