Биодеградация н-алканов в нефтезагрязненных донных отложениях при биоэлектрохимической стимуляции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Для биоэлектрохимической системы безмембранного (илового) типа исследована деградация углеводородов нефти, искусственно внесенной в донные отложения. Обнаружено, что пассивная биоэлектрохимическая стимуляция посредством электродов, соединенных внешней цепью с сопротивлением 1 кОм, при среднем электрическом токе около 85 мкА, за два месяца обеспечила прирост деградации от 23.0 до 57.9%. Загрязнение донных отложений нефтью в концентрации около 1.32 г/кг незначительно снижало ток во внешней цепи биоэлектрохимической системы. Выявлена связь степени деградации нефти с преимущественной утилизацией более легких н-алканов в ряду С14Н30–С30H62 по сравнению как с исходной нефтью, так и с остаточными углеводородами в контроле. Рост относительной, к гену 16s рРНК, представленности генов алканмонооксигеназ alkB в тотальной ДНК, выделенной из донных отложений, был в сходной мере индуцирован внесением гексадекана как при биоэлектрохимической стимуляции, так и в контроле. Результаты могут представлять интерес для разработки новых методов биоэлектрохимической очистки анаэробных сред от органических загрязнений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Самков

Кубанский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: andreysamkov@mail.ru
Россия, Краснодар

Н. Н. Волченко

Кубанский государственный университет

Email: andreysamkov@mail.ru
Россия, Краснодар

Т. Н. Мусорина

Кубанский государственный университет

Email: andreysamkov@mail.ru
Россия, Краснодар

М. Н. Круглова

Кубанский государственный университет

Email: andreysamkov@mail.ru
Россия, Краснодар

С. М. Самкова

Кубанский государственный университет

Email: andreysamkov@mail.ru
Россия, Краснодар

А. А. Худокормов

Кубанский государственный университет

Email: andreysamkov@mail.ru
Россия, Краснодар

Список литературы

  1. Водяницкий Ю. Н., Трофимов С. Я., Шоба С. А. Влияние Fe (III) на биодеградацию нефти в переувлажненных почвах и осадках // Почвоведение. 2015. № 7. С. 877–886.
  2. Vodyanitskii Y. N., Trofimov S. Y., Shoba S. A. The influence of Fe (III) on oil biodegradation in excessively moistened soils and sediments // Euras. Soil Sci. 2015. V. 48. P. 764–772.
  3. Ножевникова А. Н., Русскова Ю. И., Литти Ю. В., Паршина С. Н., Журавлевa Е. А., Никитина А. А. Синтрофия и межвидовой перенос электронов в метаногенных микробных сообществах // Микробиология. 2020. Т. 89. С. 131–151.
  4. Nozhevnikova A. N., Russkova Y. I., Litti Y. V., Parshina S. N., Zhuravleva E. A., Nikitina A. A. Syntrophy and interspecies electron transfer in methanogenic microbial communities // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 129–147.
  5. Самков А. А., Джимак С. С., Барышев М. Г., Волченко Н. Н., Худокормов А. А., Самкова С. М., Карасева Э. В. Влияние изотопного состава воды на продукцию биомассы Rhodococcus erythropolis // Биофизика. 2015. Т. 60. С. 136‒142.
  6. Samkov A. A., Dzhimak S. S., Barishev M. G., Volchenko N. N., Khudokormov A. A., Samkova S. M., Karaseva E. V. The effect of water isotopic composition on Rhodococcus erythropolis biomass production // Biophysics. 2015. V. 60. P. 107‒112.
  7. Самков А. А., Чугунова Ю. А., Круглова М. Н., Моисеева Е. В., Волченко Н. Н., Худокормов А. А., Самкова С. М., Карасева Э. В. Обесцвечивание красителей в биоэлектрохимической системе при иммобилизации клеток Shewanella oneidensis MR-1 на поверхности анода и электрической стимуляции внешней цепи // Прикл. биохимия и микробиология. 2023. Т. 59. С. 191–199.
  8. Samkov A. A., Chugunova Yu.A., Kruglova M. N., Moiseeva E. V., Volchenko N. N., Khudokormov A. A., Samkova S. M., Karaseva E. V. Decolorization of dyes in a bioelectrochemical system depending on the immobilization of Shewanella oneidensis MR-1 cells on the anode surface and electrical stimulation of an external circuit // Appl. Biochem. Microbiol. 2023. V. 59. P. 198–205.
  9. Соляникова И. П., Головлёва Л. А. Гексадекан и бактерии-деструкторы: механизмы взаимодействия // Микробиология. 2019. Т. 88. С. 19–31.
  10. Solyanikova I. P., Golovleva L. A. Hexadecane and hexadecane-degrading bacteria: mechanisms of interaction // Microbiology (Moscow). 2019. V. 88. P. 15–26.
  11. Турова Т. П., Соколова Д. Ш., Семенова Е. М., Полтараус А. Б., Назина Т. Н. Разнообразие генов биодеградации н-алканов AlkB у термофильных углеводородокисляющих бактерий родов Geobacillus, Parageobacillus и Aeribacillus // Микробиология. 2018. Т. 87. С. 225–232.
  12. Tourova T. P., Sokolova D. Sh., Семенова Е. М., Poltaraus A. B., Nazina T. N. Diversity of the AlkB genes of n-alkane biodegradation in thermophilic hydrocarbon-oxidizing bacteria of the Geobacillus, Parageobacillus, and Aeribacillus // Microbiology (Moscow). 2018. V. 87. P. 301–307.
  13. Хмелевцова Л. Е., Сазыкин И. С., Сазыкина М. А., Селиверстова Е. Ю. Цитохромы Р450 прокариот (обзор) // Прикл. биохимия и микробиология. 2017. Т. 53. С. 363–372.
  14. Khmelevtsova L. E., Sazykin I. S., Sazykina M. A., Seliverstova E. Y. Prokaryotic cytochromes P450 (review) // Appl. Biochem. Microbiol. 2017. V. 53. P. 401–409.
  15. Bose S., Hochell M. F. Jr., Gorby Y. A., Kennedy D. W., McCready D.E., Madden A. S., Lower B. H. Bioreduction of hematite nanoparticles by the dissimilatory iron reducing bacterium Shewanella oneidensis MR-1 // Geochim. Cosmochim. Acta 2009. V. 73. I. 4. P. 962–976.
  16. Bukliarevich H. A., Gurinovich A. S., Filonov A. E., Titok M. A. Molecular genetic and functional analysis of the genes encoding alkane 1-monooxygenase synthesis in members of the genus Rhodococcus // Microbiology (Moscow). 2023. V. 92. P. 242–255.
  17. Bustin S. A., Benes V., Garson J. A., Hellemans J., Huggett J., Kubista M., Mueller R., Nolan T., Pfaffl M. W., Shipley G. L., Vandesompele J., Wittwer C. T. The MIQE Guidelines: Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments // Clin. Chem. 2009. V. 55. P. 611–622.
  18. Cabrera J., Irfan M., Dai Y., Zhang P., Zong Y., Liu X. Bioelectrochemical system as an innovative technology for treatment of produced water from oil and gas industry – a review // Chemosphere. 2021. V. 285. Art. 131428.
  19. Chandrasekhar K., Venkata Mohan S. Bio-electrochemical remediation of real field petroleum sludge as an electron donor with simultaneous power generation facilitates biotransformation of PAH: effect of substrate concentration // Bioresour. Technol. 2012. V. 110. P. 517–525.
  20. Idris M. O., Kim H.-C., Yaqoob A. A., Ibrahim M. N. M. Exploring the effectiveness of microbial fuel cell for the degradation of organic pollutants coupled with bio-energy generation // Sustain. Energy Technol. Assess. 2022. V. 52. Art. 102183.
  21. Kondaveeti S., Govindarajan D., Mohanakrishna G., Thatikayala D., Abu-Reesh I.M., Min B., Nambi I. M., Al-Raoush R.I., Aminabhavi T. M. Sustainable bioelectrochemical systems for bioenergy generation via waste treatment from petroleum industries // Fuel. 2023. V. 331. Art. 125632.
  22. Lan J., Wen F., Ren Y., Liu G., Jiang Y., Wang Z., Zhu X. An overview of bioelectrokinetic and bioelectrochemical remediation of petroleum-contaminated soils // Environ. Sci. Technol. 2023. V. 16. Art. 100278.
  23. Li W.-W., Yu H.-Q. Stimulating sediment bioremediation with benthic microbial fuel cells // Biotechnol. Adv. 2015. V. 33. P. 1–12.
  24. Liang R., Davidova I. A., Teske A., Suflita J. M. Evidence for the anaerobic biodegradation of higher molecular weight hydrocarbons in the Guaymas Basin // Int. Biodeterior. Biodegr. 2023. V. 181. Art. 105621.
  25. Lovley D. R. Electrically conductive pili ‒ biological function and potential applications in electronics // Curr. Opin. Electrochem. 2017. V. 4. P. 190–198.
  26. Marzocchi U., Palma E., Rossetti S., Aulenta F., Scoma A. Parallel artificial and biological electric circuits power petroleum decontamination ‒ the case of snorkel and cable bacteria // Water Res. 2020. V. 173. Art. 115520.
  27. Mbadinga S. M., Wang L.-Y., Zhou L., Liu J.-F., Gu J.-D., Mu B.-Z. Microbial communities involved in anaerobic degradation of alkanes // Int. Biodeterior. Biodegr. 2011. V. 65. P. 1‒13.
  28. Mohanakrishna G., Al-Raoush R.I., Abu-Reesh I. M. Sewage enhanced bioelectrochemical degradation of petroleum hydrocarbons in soil environment through bioelectro-stimulation // Biotechnol. Rep. 2020. V. 27. Art. e00478.
  29. Paisse S., Duran R., Coulon F., Goni-Urriza M. Are alkane hydroxylase genes (alkB) relevant to assess petroleum bioremediation processes in chronically polluted coastal sediments? // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2011. V. 92. P. 835–844.
  30. Powell S. M., Ferguson S. H., Bowman J. P., Snape I. Using real-time PCR to assess changes in the hydrocarbon-degrading microbial community in antarctic soil during bioremediation // Microb. Ecol. 2006. V. 52. P. 523–532.
  31. Prathiba S., Kumar P. S., Vo D.-V.N. Recent advancements in microbial fuel cells: a review on its electron transfer mechanisms, microbial community, types of substrates and design for bio-electrochemical treatment // Chemosphere. 2022. V. 286. Art. 131856.
  32. Shvets D., Vinogradova S. Occurrence and genetic characterization of grapevine Pinot Gris virus in Russia // Plants. 2022. V. 11. Art. 1061. P. 1–15.
  33. Tao L., Song M., Jiang G. Enhanced depolluting capabilities of microbial bioelectrochemical systems by synthetic biology // Synth. Syst. Biotechnol. 2023. V. 8. P. 341–348.
  34. Taylor S., Wakem M., Dijkman G., Alsarraj M., Nguyen M. A practical approach to RT-qPCR ‒ publishing data that conform to the MIQE guidelines // Methods. 2010. V. 50. P. S1–S5.
  35. Tucci M., Viggi C. C., Núnez A. E., Schievano A., Rabaey K., Aulenta F. Empowering electroactive microorganisms for soil remediation – challenges in the bioelectrochemical removal of petroleum hydrocarbons // Сhem. Eng. J. 2021. V. 419. Art. 130008.
  36. Venkidusamy K., Megharaj M., Marzorati M., Lockington R., Naidu R. Enhanced removal of petroleum hydrocarbons using a bioelectrochemical remediation system with pre-cultured anodes // Sci. Total Environ. 2016. V. 539. P. 61–69.
  37. Voeikova T. A., Emel’yanova L.K., Novikova L. M., Shakulov R. S., Sidoruk K. V., Smirnov I. A., Il’in V.K., Soldatov P. E., Tyurin-Kuz’min A. Yu., Smolenskaya T. S., Debabov V. G. Intensification of bioelectricity generation in microbial fuel cells using Shewanella oneidensis MR-1 mutants with increased reducing activity // Microbiology (Moscow). 2013. V. 82. P. 410–414.
  38. Wang H., Lu L., Mao D., Huang Z., Cui Y., Jin S., Zuo Y., Ren Z. J. Dominance of electroactive microbiomes in bioelectrochemical remediation of hydrocarbon-contaminated soils with different textures // Chemosphere. 2019a. V. 235. P. 776–784.
  39. Wang H., Xing L., Zhang H., Gui C., Jin S., Lin H., Li Q., Cheng C. Key factors to enhance soil remediation by bioelectrochemical systems (BESs): a review // Chem. Eng. J. 2021. V. 419. Art. 129600.
  40. Wang X., Wan G., Shi L., Gao X., Zhang X., Li X., Zhao J., Sha B., Huang Z. Direct micro-electric stimulation alters phenanthrene-degrading metabolic activities of Pseudomonas sp. strain DGYH-12 in modified bioelectrochemical system // Environ. Sci. Pollut. Res. 2019b. P. 31449–31462.
  41. Wasmund K., Burns K. A., Kurtböke D. I., Bourne D. G. Novel alkane hydroxylase gene (alkB) diversity in sediments associated with hydrocarbon seeps in the Timor Sea, Australia // Appl. Environ. Microbiol. 2009. V. 75. Р. 7391–7398.
  42. Yuan J. S., Reed A., Chen F., Stewart Jr C. N. Statistical analysis of real-time PCR data // BMC Bioinform. 2006. V. 7. Art. 85. https://doi.org/10.1186/1471-2105-7-85
  43. Zhuravleva E., Kovalev A., Kovalev D., Kotova I., Shekhurdina S., Laikova A., Krasnovsky A., Pygamov T., Vivekanand V., Li L., He C., Litti Y. Does carbon cloth really improve thermophilic anaerobic digestion performance on a larger scale? Focusing on statistical analysis and microbial community dynamics // J. Environ. Manage. 2023. V. 341. Art. 118124.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Электрический ток во внешней цепи биоэлектрохимической системы в зависимости от наличия (1) или отсутствия (2) нефтяного загрязнения

Скачать (46KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Хроматограммы исходной сырой нефти (а), остаточных углеводородов в контроле (б) и биоэлектрохимической системе (в)

Скачать (326KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Процентные доли площадей пиков н-алканов С14Н30–С30H62 в зависимости от наличия биоэлектрохимического воздействия: а – нефть сырая; б – контроль; в – опыт

Скачать (192KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Относительная представленность генов alkB в зависимости от вносимого углеводорода и наличия биоэлектрохимической стимуляции

Скачать (84KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024