С развитием производства нефтезагрязнения окружающей среды становятся всё более насущной проблемой. Для Приморского края, где находится несколько крупных морских портов и судостроительных заводов, а также где насчитывают наибольшее количество машин на 1 тыс. жителей, это явление также актуально. Учёные из Владивостока работают над созданием своего очищающего биопрепарата на основе бактерий из Японского моря. "Информационное агентство PrimaMedia" подробно поговорило на эту тему с Анной Пономарёвой — кандидатом биологических наук, старшим научным сотрудником Лаборатории комплексных исследований окружающей среды и минеральных ресурсов ТОИ ДВО РАН.
— Анна Леонидовна, изучение очистки нефтесодержащих сточных вод при помощи нефтеокисляющих микроорганизмов давно является сферой вашего научного интереса. В прошлом году вы совместно с учёными из ДВФУ и других институтов проводили исследование донных осадков Залива Петра Великого, Японского моря, на наличие "психотрофных углеводородокисляющих бактерий". Данные об этом даже были включены в успехи института в Докладе Правительства Приморского края об экологической ситуации в регионе в 2022 году. Для начала объясните, пожалуйста, кто такие эти "психотрофные бактерии"?
— Психотрофные бактерии — это микроорганизмы, способные к росту и питанию при низких температурах. В море и в почве в принципе никогда не бывает высоких температур. И поэтому использование большого количества биопрепаратов (препаратов для очистки от загрязнения с помощью живых организмов — прим. ред.) ограничено именно коротким сезоном. То есть их могут налить на месяц-два. Успевают ли они отработать за это время? Это тоже вопрос. А использование психотрофных микроорганизмов для биопрепарата как раз расширяет возможности его использования, независимо от климатических условий. На основе таких микроорганизмов делают даже препараты для использования в районах Крайнего Севера, потому что они успевают отработать там за сезон. Они питаются при температуре от 0 °С до +10°С.
— Хорошо. А как эти бактерии вообще разъедают нефтяные соединения?
— У микроорганизмов существует много механизмов потребления нефти. В основном оно идёт за счет окисления, то есть разрывается углеводородная цепь, образуются карбоновые кислоты. А любая бактерия знает, что делать с карбоновой кислотой. И основной проблемой является то, что самые распространенные углеводороды в нефти — это алканы, они насыщенные, у них одинарная связь, и эта связь очень тяжело разрывается. Не все бактерии могут потреблять алканы, они очень узко специфичны. Углеводороды более сложной структуры — либо с двойной связью, либо циклические — потребляются намного проще, потому что они менее устойчивы, и бактериям проще разорвать цепь и добавить кислород.
— Откуда у бактерий появляются способности окислять именно нефть?
— Вообще большинство бактерий обладают способностью к углеводородокислению, потому что углеводороды достаточно распространены в окружающей среде. И в какой-то мере многие микроорганизмы способны потреблять углеводороды нефти. Здесь стоит вопрос об эффективности. Допустим, есть микроорганизмы, которые просто окисляют один миллиграмм нефти в год, а есть микроорганизмы, которые потребляют нефть очень быстро. И такие микроорганизмы в основном связаны либо непосредственно с месторождениями нефти и газа, потому что прошли триллионы лет эволюции, в ходе которой они адаптировались к такому источнику питания, либо с техногенными загрязнениями, которые уже достаточно давно идут, и там тоже уже произошла адаптация. Микроорганизмы, которые взяты непосредственно из старых нефтезагрязненных сред и из природных сред, обладают, конечно, большей возможностью к потреблению нефти, большим диапазоном к потреблению различных углеводородов, и они более адаптированы именно к нефти, нежели к другим источникам питания.
— Для своей работы вы выбрали Японское море, а именно район залива Петра Великого. Почему?
— Японское море и прежде широко изучалось, но в основном исследовалась прибрежная зона в связи с тем, что ходить в море на кораблях — это довольно тяжелая вещь с организационной точки зрения: человек должен собраться, на 40 суток уйти в море. И есть свои методы экспедиционной работы, ими тоже надо обладать. Поэтому наши исследования отличаются от остальных тем, что мы берём именно глубокое море. Залив Петра Великого находится далеко от берега.
У нас существует множество других работ. Мы выделяли бактерии и с Южно-Китайского моря, и с Охотского моря, и с полуострова Камчатка, и с Южного океана. Но также новизной нашего направления является то, что мы выделяем их не только из воды, но и из донных отложений, то есть работы до этого в основном велись с водой. Мы берём морские донные отложения, они расположены в зоне выходов газа, где есть нефтегазовые залежи, в них как раз и находится бактериальный фильтр, который потребляет углеводороды нефти, и там обитают бактерии, которые высокоадаптированы именно к углеводородам и обладают большим потенциалом для биотехнологии и, с научной точки зрения, для изучения эволюции.
— Вы изучали бактерии в нашем море и в других морях. Можно ли сказать, что наши чем-то более уникальны?
— Японское море само по себе интересно тем, что в нём присутствуют все источники углеводородов нефти — как природный, так и техногенный. У нас есть остров Сахалин, где находится масса месторождений нефти и газа, и есть прибрежная зона Приморского края, которая очень хорошо загрязняется. Благодаря этому можно проводить сравнение примерно в одинаковых условиях, какие именно микроорганизмы и как адаптируются к антропогенному и природному загрязнению. Это достаточно большая экологическая задача, потому что это бы позволило выработать какие-то биомаркеры только для антропогенного загрязнения и только для нефтегазовых залежей.
— Расскажите, пожалуйста, кратко, как проходило само исследование.
— Проводился отбор проб. Соответственно, отбор проводился на борту судна, и на борту потом пробы сохранялись. При низких температурах их привозили к нам в институт, и в дальнейшем ставились накопительные культуры. Нам всем для жизни нужен источник углерода, также и бактериям. Селективная среда основана на том, что есть только один какой-то источник углерода. И в качестве источника углерода для всех активных сред использовались углеводороды нефти. На этих средах бактерии выращивались. После этого их выделяли стандартными микробиологическими методами, выясняли их способность к потреблению углеводородов нефти. И дальше проводились идентификация и отбор штаммов, которые было бы возможно использовать в дальнейшем для биопрепаратов.
— Поделитесь результатами, пожалуйста.
— Конкретно в этой работе у нас не было таких высокоэффективных штаммов. А вот в другой работе… На Сахалине есть нефтегазовые залежи, где газ в твёрдом состоянии находится в донных отложениях — их называют газогидраты. И вот в районе этих газогидратов мы выделили достаточно большое количество очень интересных нефтеокисляющих микроорганизмов, и на их основе мы создали, точнее, создаём в данный момент, биопрепарат. Особенностью этих штаммов является то, что они могут потреблять нефть при широком диапазоне температур и солёности, и главное, они могут потреблять нефть как в аэробных, так и анаэробных условиях (при наличии и при отсутствии кислорода — прим. ред.). Особенностью биопрепаратов и их лимитирующим фактором является то, что потребление нефти очень зависит от кислорода. И, соответственно, если вы добавляете его в почву, вам надо выпускать трактор раз в месяц, чтобы он пахал всё. Нужно постоянно перемешивать грунт, для этого нужны человеческие ресурсы, а в труднодоступной местности это вообще практически невозможно. Если штаммы могут потреблять нефть и в анаэробных условиях — им это не надо. То есть препарат работает по принципу "добавил и забыл": добавил, ушёл, через два месяца вернулся — нефть уже съедена. Мы проводили полевые испытания здесь, в Артёме, на нефтебазе. У нас препарат показал очень хорошие результаты. Он снизил уровень нефти ниже ПДК (предельно допустимая концентрация вредных веществ — прим. ред.). Это очень большая редкость.
— В каком виде эти препараты используются?
— У нас пока жидкий. Сейчас идёт начало исследований. Мы договорились с Иркутском. У них есть полигон, где они перерабатывают свои отходы, и они уже будут в производственных условиях сами тестировать этот биопрепарат. В дальнейшем будем с ними сотрудничать по его производству.
В научном мире самим произвести какой-то препарат от начала до конца практически невозможно, потому что есть технология, необходимо большое количество аэротенков (резервуары, в которых перетекают загразненные воды, совмещенные с биопрепаратом — прим. ред.), которые в научно-исследовательском институте редко встречаются. Есть фундаментальная наша наука, в которой мы выделили штаммы и посмотрели их спецсвойства. А уже прикладная часть обычно передаётся куда-то на такие научные объединения больших предприятий, где уже вещество тестируется, смотрится, какая форма лучше для добавления. Этот препарат будет, возможно, только для почвы использоваться, потому что в водных объектах использовать препараты достаточно тяжело из-за того, что течения в воде всё перемешивают. Это сама по себе особенность применения биопрепаратов в жидких средах.
— А вообще планируется разработка именно препаратов для водной среды?
— Да, у нас сейчас есть штаммы, которые обладают свойствами в водной среде образовывать конгломераты нефти и превращать их в желе. То есть они сами собирают, сами сорбируют нефть. И такие штаммы можно использовать в водной среде: они обволакивают нефть и получается то, что уже можно просто вычищать физически. Эти штаммы выделены не из моря. Они выделены из очень старых, еще советских нефтехранилищ на территории севера Иркутской области.
— Получается, в принципе, нет разницы, где использовать средство, то есть штаммы из одной среды можно применять и в другой?
— Да, только у водных штаммов из морских непосредственно сред как раз есть ограничения, потому что они адаптированы к определённой солёности. Плюс донных отложений состоит в том, что они не настолько солёные, как вода, поэтому они адаптированы к более широкому диапазону, и поэтому их можно использовать в большем количестве сред, в большем региональном диапазоне.
— Значит, результаты вашего исследования бактерий, которые вы извлекли именно из Японского моря, как раз могут позволить как-то расширить этот список, диапазон?
— Да, именно так. Также особенность нашего препарата состоит в том, что большинство таких препаратов строится на бактериях-представителях рода родококков, это самый известный нефтеокисляющий род микроорганизмов, самый широко исследованный. Они специализируется больше на ароматических углеводородах (бензол, нафталин, антрацен и их производные — прим.ред.). У нас препарат обладает очень широким диапазоном окисления нефти и может окислять как короткие, так и длинные углеводороды помимо ароматических.
— Сейчас это препарат находится на этапе разработки. Когда вы планируете завершить?
— Мы отправили сейчас эти штаммы непосредственно в Иркутск, и они будут тестировать бактерии до конца их сезона. Это два месяца. И, соответственно, уже к зиме мы будем решать, что с ними делать.
— А можно их использовать, например, уже сейчас здесь где-нибудь при разливе нефти?
— Без тестирования применение биопрепаратов запрещено. Хотя бы потому, что они могут быть условно патогенными, это во-первых. А во-вторых, необходимо же выяснить, как он будет работать во внешней среде. В лабораторных условиях проверили, он, конечно, сработал. А добавить его в природу — там есть своя структурная микробиота, которая может без радости встретить эти штаммы. То есть происходит антагонизм, и либо погибает в ноль автохтонная микробита (родные для конкретной среды микроорганизмы — прим. ред.), что тоже, в общем то, не очень хорошо, потому что после применения препарата остаётся выжженная земля, либо сам биопрепарат может погибнуть, при всей эффективности не сработать просто потому, что его убивает автохтонная микробиота. Поэтому сами штаммы должны встраиваться в эту микробиоту. Но после того, как становится маленькая концентрация загрязнителя, они должны уходить из среды, чтобы они в дальнейшем не присутствовали, потому что это привнесённые виды.
Мы тестировали свой биопрепарат. За полтора месяца он доводил состояние ниже ПДК, и после этого численность нефтеокисляющих бактерий очень резко снижалась. То есть они сами уходили из сообщества, и само сообщество возвращалось непосредственно к тому, что было до загрязнения. Возвращались те виды, которые там были, возвращалась микробиота, всё возобновлялось.
— А за какой срок полностью срабатывает препарат?
— Вообще, с точки зрения теории биодеградации нефти, биопрепарат считается эффективным, если он полностью уничтожает все загрязнения за 72 дня. У нас 42 дня был самый большой срок.
— Получается, работает он более, чем эффективно. А существуют ли какие-то альтернативы?
— Вообще биотехнологии, биопрепараты считаются как бы последними в цикле очистки. Есть много путей снижения концентрации углеводородов нефти после нефтяного загрязнения: физические, химические и биологические. И считается, что применяться должны все этапы: вначале физические, когда нефть отжимают, то есть просто берут грунт, отжимают — нефть в последствии используют дальше. Или с помощью сорбентов собирают с моря, снова отжимают — эту нефть дальше используют. Затем химические — это простое сжигание. Биологический считается обязательным, заключительным этапом. Биопрепарат может доедать всё, что осталось, и восстанавливать непосредственно микробиоту нефтезагрязнённой среды — как воды, так и почвы. Использование биологических веществ пока менее развито, чем химических.
— Как вы думаете, года через два уже возможно будет ввести в широкое применение ваш препарат?
— Научно-исследовательский институт же не будет продавать биопрепарат. То есть, сама по себе биотехнология не предполагает промышленного производства, только какие-то небольшие количества. Но у нас есть патент, мы следим за тем, чтобы всё работало правильно. А какой-то завод в свою очередь производит этот препарат. Если всё сложится непосредственно с испытаниями в Иркутске, то почему нет?
Материал подготовлен в рамках проекта сетевого издания "Информационное агентство PrimaMedia" "Чистый край — Приморье". Цель проекта — информирование населения о наиболее значимых экологических процессах в регионе, освещение деятельности природоохранных организаций и частных экологических инициатив, вовлечение населения в деятельность по охране окружающей среды, воспитание экологического сознания и экологической культуры.
