Статья: Скрининг уреолитических микроорганизмов, перспективных для цементации песков

ТОО «ЭкостандартМ», г. Нур-Султан

Скрининг уреолитических микроорганизмов, перспективных для цементации песков

Сембаев Куаныш Дюсембекович - специалист, старший научный сотрудник;

Сембаева Динара Жакантайкызы - специалист, научный сотрудник;

Данлыбаева Газиза Аятбековна - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник;

Хасенова Эльмира Жексембаевна - магистр, старший научный сотрудник;

Сарсенова Айнур Сейтжаппаркызы - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник;

Молдагулова Назира Балтабаевна - кандидат ветеринарных наук, ведущий научный сотрудник

Аннотация

Возможность многочисленных применений микробиологического осаждения карбоната кальция (кальцита) привела к его широкому распространению и изучению. В настоящее время в грунтоукреплении данная технология является многообещающей альтернативой другим технологиям с большой биотехнологической важностью. В данной работе проведен скрининг бактерий рода Bacillus и Lactobacillus из лабораторной коллекции штаммов ТОО «Экостандарт/kz» на способность продуцировать фермент уреазу. Отобрана наиболее перспективная культура для укрепления грунтов - штамм Bacillus subtilis 1А.

Ключевые слова: микроорганизмы, цементация, уреаза.

Screening for ureolytic microorganisms that are promising for grouting sands

Abstract

the possibility of numerous applications of microbiological precipitation of calcium carbonate (calcite) has led to its widespread dissemination and study. Currently, in ground reinforcement, this technology is a promising alternative to other technologies of great biotechnological importance. In this work, screening of bacteria of the genus Bacillus and Lactobacillus from the laboratory collection of strains of Ecostandard.kz LLP was conducted for the ability to produce the enzyme urease. The most promising culture for soil reinforcement was selected - strain Bacillus subtilis 1A.

Keywords: microorganisms, cementation, urease.

Введение

Одной из проблем глобального масштаба современности во всем мире является деградация и опустынивание земель. Миграция песчаных дюн под воздействием ветра является основной причиной процесса опустынивания почв, превращающего сельскохозяйственные районы в пустыни и покрывающего все стерильным песком. Ветровая эрозия является не только одним из основных факторов деградации почвы, но и загрязнения воздуха в засушливых и полузасушливых районах [1]. Оголенный и разрыхленный песок, не закрепленный растительностью, легко приходит в движение под действием ветра и, не встречая препятствий, переносится по песчаным площадям за короткое время на большие расстояния [2]. Опустынивание и деградация земель оказывают негативный эффект на биоразнообразие территорий в результате вырождения и потери разнообразия растительности и животного мира, вторжения новых видов, падения продуктивности пастбищ, ухудшения сенокосов, замене питательных кормов мало- и несъедобными растениями и, в целом, снижения функциональности экосистем [3]. По данным [4] экономические потери, вследствиедеградации земель обходится развивающимся странам в 42 миллиарда долларов США ежегодно, в то время как стоимость защитных мер значительно меньше.

В последние несколько лет использование бактериального осаждения карбоната кальция набирает все большую популярность в качестве метода укрепления грунтов. Этот метод имеет ряд преимуществ по сравнению с химическими методами - не токсичен, безвреден для окружающей среды, прост в применении [5]. Использование данной технологии также позволит сократить образование пыльных бурь, что часто происходит в пустынных регионах. Для укрепления песков по описываемой технологии необходимы активные штаммы бактерий, карбамид, источник кальция (кальций хлористый). Пески, обрабатываются культурами бактерий, которые вырабатывают фермент уреазу, способный расщеплять мочевину (формула 1).

Поверхность микроорганизмов является идеальным местом для зарождения кристаллов кальцита [6, 7].Так как поверхность микробных клеток имеет отрицательный заряд, она притягивает к себе положительно заряженные ионы, в частности ионы Са²+. При достаточном количестве в растворе ионов Са²+ и С0₃^2- происходит осаждение кальцита СаС0₃ [8] (формулы 2, 3).

В результате образуется кальцит, который склеивает песчинки, что приводит к укреплению песков.

Целью данной работы был скрининг активных штаммов уробактерий, перспективных для укрепления грунтов.

Материалы и методы

Для скрининга уреолитических бактерий, использовали коллекционные штаммы бактерий рода Bacillus и Lactobacillus ТОО «Экостандарт^».

Уреазную активность бактерий проверяли путем посева культур на агаре Кристенсена с мочевиной. Состав (г/л); NaCI-5,0; пептон-1,0; глюкоза-1,0; KH₂PO₄ - 2,0; феноловый красный 0,0012 и агар-15,0; (рН-7,0). Добавляли стерилизованную мочевину с итоговой концентрацией 4% на 100 мл. Среда разливалась в пробирки, и скашивались. Скошенный агар засевали бактериями и инкубировали при 28⁰ С в течение 48 часов. Положительный результат оценивали визуально по изменению цвета среды от желтого до малинного цвета.

Опыты по биоцементации песка проводили в пластиковых стаканах объемом 100 мл. Дно стакана перфорировали, для удаления избытка раствора. Стакан плотно набивали сухим песком (кварцевый песок, размер частиц 0,08-0,1 мм) весом 60 г, затем вносили суспензию бактерий с титром 10⁸КОЕ/мл. Инкубировали при 28⁰С в течение 24 часов. По истечении времени, через песок пропускали цементирующий раствор (1,0 М раствор CaCI2 и 1,0 М раствор мочевины) 1 раз в сутки в течение 12 дней. На 4 и 8 сутки повторно вносили культуру объемом 4 мл.

уреолитический микроорганизм цементация песок

Результаты

Изучение способности коллекционных культур микроорганизмов выделять фермент уреазу показало, что из 24 исследуемых культур только 1 культура была способна активно разлагать мочевину (таблица 1) и 3 культуры показали слабое разложение мочевины. На рисунке 1 представлено изменение цвета среды вследствие разложения мочевины культурой 1А.

Рис. 1. Уреазная активность штамма 1А

Штамм Bacillus subtilis 1А, обладающий явно выраженной уреазной активностью, был отобран для дальнейших исследований.

С целью определения перспективности данного штамма для цементации песков нами проведен ряд экспериментов по биоосаждению карбоната кальция. Процесс кальцинирования песка представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Процесс кальцинирования песка

Через две недели после начала экспериментов можно было наблюдать достаточно хорошее скрепление частиц песка (рисунок 3).

Рис. 3. Метаморфоза песка под воздействием штамма Bacillus subtilis 1А: (а) природный песок; и (б) биоцементированный песок

Таким образом, по результатам экспериментов, отобрана культура Bacillus subtilis 1А, обладающая уреазной активностью и способная к укреплению грунтов. Заключение

Бактерии рода Bacillus и Lactobacillus из лабораторной коллекции штаммов ТОО «Экостандарт^»были проверены на способность продуцировать фермент уреазу. Из 24 культур, отобран штамм Bacillus subtilis 1А, обладающий явно выраженной уреазной активностью, как наиболее перспективный для укрепления грунтов.

Список литературы /References

1. Han Z., Wang T, Dong Z., Hu Y, Yao Z., 2007 Chemical stabilization of mobile dunefields along a highway in the Taklimakan Desert of China. J Arid Environ 68:260270.

2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gosthelp.

ru/text/Proekttexnicheskixukazani. Html/ (дата обращения: 20.07.2019).

3. Acting locally - cooperating regionally. Combating desertification in Central Asia // Published by: Deutsche Gesellschaft fьr Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH - German Technical Cooperation, 2007. 20 Р.

4. Gupta R., Kienzler K., Martius C., Mirzabaev A., Oweis T., de Pauw E., Qadir M., Shideed K., Sommer R., Thomas R., Sayre K., Carli C., Saparov A., Bekenov M., Sanginov S., Nepesov M. and Ikramov R. Research prospectus: a vision for sustainable land management research in Central Asia. // Sustainable Agriculture in Central Asia and the Caucasus, 2009. 81 р.

5. Maleki М.,. Ebrahimi S., Asadzadeh F., Emami М. Tabrizi Performance of microbial- induced carbonate precipitation on wind erosion control of sandy soillnt. J. Environ. Sci. Technol., 2016. 13:937-944.

6. Stocks-Fischer S., Galinat J.K. & Bang S.S., 1999. Microbiological Precipitation of CaCO3. Soil Biol Biochem. 31 (11). 1563-1571.

7. Ramachandran S.K., Ramakrishnan V. & Bang S.S., 2001. Remediation of concrete using micro-rgan-isms. ACI Mater J. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://doi.org/10.14359/10154/ (дата обращения: 01.08.2019).

8. Qian C., Wang R., Cheng L. & Wang J., 2010. The-ory of microbial carbonate precipitation and its ap-plication in restoration of cement-based materials defects. Chinese J Chem. 28 (5). 847-857. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://doi.org/10.1002/cjoc.201090156 / (дата обращения: 01.08.2019).