Разложение синтетических полимеров почвенными микроорганизмами
Бояршинов А.В., школа № 81, 11 класс
Научный руководитель Лебедева Л.А., доц. к. б. н.,
зав. кафедрой экологического воспитания школы № 81
г. Казань
Введение
Быт современного человека невозможно представить без синтетических высокомолекулярных соединений - полимеров. Полимеры находят широкое применение в быту и производстве. Из них делают различные детали, изолирующие материалы, трубы, посуду, ткани. Полимерные материалы обладают очень многими качествами, которые им дают преимущества перед природными: прочность, термо- и износоустойчивость, устойчивость к разрушениям. В связи с широким применением изделий из синтетических полимеров в окружающую среду попадает очень большое количество полимерных отходов. Наряду с другими синтетическими соединениями (пестициды, кислоты, моющие средства) полимеры долго разлагаются в природных условиях. Они являются в основном механическими загрязнителями, так как химически инертны. При этом образуются целые полимерные свалки, что нарушает естественные экосистемы, круговорот химических элементов, может стать источником токсического загрязнения окружающей среды.
Ведущая роль в разложении загрязнителей в почве принадлежит микроорганизмам. В литературе есть данные о разложении в естественных условиях многих синтетических органических соединений. Учеными выделены и изучены определенные группы микроорганизмов, осуществляющих их деструкцию. Так некоторые грибы способны разлагать пестициды, нитроцеллюлозу. Бактерии из группы Arthobacter способны, например, использовать 2,4 -Д, 2М -4Х в качестве источника углерода. В разложении синтетических загрязнителей принимают участие многие группы микроорганизмов: грибы, актиномицеты, нокардии, различные группы бактерий. На основе этого нами выдвинута рабочая гипотеза: в почве есть микроорганизмы, способные оказывать разрушающее воздействие на синтетические полимерные материалы.
Целью работы было:
1)установить способность естественной микрофлоры почвы осуществлять деструкцию синтетических полимеров на примере капрона и полиэтилена;
2)выявить и исследовать группы микроорганизмов, обладающих вышеуказанными свойствами.
В задачи входило:
1)разработать различные методы исследования;
2)поставить опыты с использованием методик с целью их апробирования и получения результатов.
Методика и ход работы.
Опыты проводились с образцами ткани из капрона и с полиэтиленовой пленкой. Взятые из микробиологического практикума методики были нами модифицированы:
1)длительная инкубация в колбах с жидкой питательной смесью капроновых образцов зараженных почвой. Образцы капрона известной массы помещались в колбы с жидкой питательной смесью без источника углерода, заражались почвой, ставились в термостат. Через 60, 100, 120 суток образцы описывались, взвешивались, отмечалось изменение состояние образцов в сравнении с натуральной льняной тканью, опыт с которой закладывался параллельно. Такой же опыт был проведен с искусственной ватой - синтепоном.
2)Изучение микропейзажа на поверхности капроновых волокон в сравнении с микропейзажем на стеклах по Н.Г.Холодному. Образцы капроновой ткани наклеивались по краю на предметные стекла, помещались в почву в емкостях на глубину около 2 см. Почва поддерживалась во влажном состоянии. Через 40, 85, 150 суток извлекались три стекла. Одно из них заливалось нингидрином, два других окрашивали генциан-виолетом и микроскопировались. Контролем служили стекла обрастания по Н.Г.Холодному.
3)Изучение микрофлоры образцов полиэтиленовой пленки, взятой из почвы со свалок в сравнении с микрофлорой самой почвы. Это делалось путем посева смывов с полиэтиленовой пленки и суспензии почвы на твердые питательные среды (МПА, КАА, среда Чапека) с целью учета численности микроорганизмов.
4)Выявление способности “собственной” микрофлоры образцов полиэтилена из почвы к разложению субстрата (т.е. полиэтилена) прямым или косвенным путем. Для этого образцы полиэтилена помещались в питательные среды с источником и без источника углерода и велось наблюдение за их состоянием, наличием роста микроорганизмов на поверхности пленки.
В данной работе приведены результаты по двум первым методикам, по методикам 3 и 4 работы ведутся в настоящее время.
Результаты
Опыт 1 проводился следующим образом: по три образца известной массы трех материалов(льняная, капроновая ткани, синтепон) помещались в колбы, по одному в каждую, с жидкой питательной смесью без источника углерода состава: NH4CL - 0,1%, K2HPO4 - 0,05%, pH=7. Образцы периодически описывались, визуально, через 60, 100, 120 суток. Отмечалось изменение окраски образца, появление пятен, запаха. После 60 суток инкубации образцы льняной ткани имели бурый цвет, ослизнились. Путем микроскопирования образцов было обнаружено наличие целлюлозоразрушаюших бактерий. На ткани развивалась плесень, исходил неприятный запах. Образцы из капрона и синтепона остались без существенных изменений, издавали очень слабый запах. На 100 сутки образцы натуральной ткани продолжали интенсивно разрушаться. Они черно-бурого цвета, издают сильный запах. Образцы капрона и синтепона по-прежнему имели очень слабый запах, приобрели бледную желто-бурую окраску. К концу опыта, на 120 сутки, образцы льняной ткани представляли бесформенную, ослизнившуюся массу. Образцы синтетических тканей по сравнению с предыдущим сроком наблюдения существенно не изменились. Микроскопирование культуральных жидкостей большого разнообразия и плотности микрофлоры не обнаружило. Взвешивание образцов к концу опыта показало, что масса натуральной ткани составляла в среднем 37,9% в сравнении с исходной. Масса капроновой ткани практически не изменилась, микроскопирование образцов капрона показало отсутствие разрушения волокон. Волокна синтепона имели единичные повреждения в виде утолщений, разрывов, деформаций, но нельзя утверждать, что это было вызвано микроорганизмами. Спустя 9 месяцев от начала опытов колбы с образцами синтетических тканей были просмотрены вновь. На их поверхности был обнаружен рост колоний . Выделено две разновидности колоний: № 1 - окраска белая, профиль уплощенный, в виде плесени , консистенция сухая, жесткая, поверхность не блестящая, размеры колоний до 1 мм; № 2 - сероватого оттенка, плотная, не блестящая, жесткая, сухая, округлая, размеры колоний до 2 мм, профиль в виде “горки”, поверхность бугристая. Колонии были слабо сцеплены с субстратом. Наблюдения за численностью колоний в колбах показали их увеличение.
Численность колоний в колбах
|
Вариант |
Капрон |
Синтепон |
||||
|
меся-цы |
№ колонии |
повторн. 1 |
повторн. 2 |
повторн. 1 |
повторн. 2 |
повторн. 3 |
|
9.5 |
№ 1 |
3 |
1 |
--- |
--- |
--- |
|
|
№ 2 |
9 |
2 |
--- |
--- |
--- |
|
10.5 |
№ 1 |
15 |
2 |
4 |
4 |
--- |
|
|
№ 2 |
11 |
3 |
--- |
2 |
1 |
Рост колоний наблюдался не во всех колбах: капрон - 1,3 колбы, синтепон -
1-3 колба. Кроме того, образцы издавали сильный неприятный запах. Один из образцов капрона был извлечен, проверена его прочность препаровальной иглой. В сравнении с исходным образцом он легче поддавался разрыву. Можно сказать, что за время опыта образцы синтетических волокон не были разрушены, но на их поверхности наблюдался рост колоний микроорганизмов. Для разрушения, по-видимому, требуется более длительное время.
В опыте 2 микроскопирование стекол и описание микропейзажа проводились на 40, 85, 150 сутки. На 40 сутки изменения волокон отсутствовали. На поверхности волокон преобладали кокковидные формы бактерий с круглыми или овальными клетками, одиночные, сдвоенные или в цепочках. Плотность обрастания низкая. Нингидриновая реакция дала бледно-розовую окраску. На 85 сутки картина почти такая же, но появляется нитевидная форма микроорганизмов. К концу опыта, на 150 сутки, также преобладали кокковидные формы при наличии нитевидных ветвящихся. Имелись единичные, незначительные изменения волокон, разрушение волокна не наблюдалось. Значительного накопления аминокислот не выявлено - нингидриновая реакция давала слабую, бледно-розовую окраску. Разнообразие микроорганизмов в сравнении с фоновой микрофлорой было ниже. Таким образом, за время опытов при естественной температуре (уличной) разрушение капрона не происходило. Заселение капронового волокна различными группами микроорганизмов происходило не одновременно.
Выводы
Из работы можно сделать предварительные выводы:
1. В составе естественной микрофлоры почвы, по-видимому, имеются группы микроорганизмов, способные разрушать некоторые синтетические полимеры (капрон), но очень медленно;
2. поскольку в нашем опыте (опыт 1) применялись безуглеродистые среды, возможно микроорганизмы использовали углерод синтетического волокна, вследствии чего наблюдался рост колоний;
3. в дальнейшем необходимо подтвердить полученные результаты и продолжить работу - выделить и изучить конкретные микроорганизмы - деструкторы синтетических полимеров.
Список литературы
1. Ротмистров М.Н. Микробиологическая деструкция синтетических органических веществ, Киев, Наукова Думка, 1975
2. Е.З.Теппер, В.К.Шильникова, Г. И.Переверзерева Практикум по микробиологии, Москва, Агропромиздат, 1987
3. Г.Л.Селибер, Р.С.Кацнельсон, И.С.Скалон, Г.А.Катанская Микробиология в опытах, АПН РСФСР, Москва, 1953
4.
И.А.Паламарчук и Т.Д.Веселова Учебное пособие по
ботанической гистохимии. Изд.Московского университета, 1965