Лекарства для экосистем

В нынешнем году два авторских коллектива из Уральского отделения РАН стали лауреатами Премии правительства РФ в области науки и техники. О металлургах, создавших новое инжекционное оборудование и технологии, «Наука Урала» подробно писала (№12). Сегодня мы представляем проект уральских микробиологов, разработавших и внедривших комплекс биотехнологий и систем восстановления нарушенных и загрязненных углеводородами тундровых и северо-таежных биогеоценозов. В проекте приняли участие не только научные организации (Институт экологии и генетики микроорганизмов Пермского НЦ УрО РАН, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Институт сельскохозяйственной микробиологии Российской академии сельскохозяйственных наук, Московский государственный университет), но также недропользователи (ОАО «ЛУКОЙЛ») и природоохранные структуры (Министерство природных ресурсов Республики Коми). Впервые комплексные исследования процесса трансформации углеводородов, динамики микробных сообществ на загрязненных территориях и их масштабная рекультивация были проведены в широком географическом диапазоне — от южной тайги Пермского Предуралья до тундры Ханты-Мансийского и Ненецкого автономных округов, включая зону ликвидации последствий Усинской катастрофы — самого крупного в мире аварийного разлива сырой нефти. О масштабном междисциплинарном проекте мы беседуем с научным руководителем работы заведующей отделом алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ УрО РАН членом-корреспондентом Ириной Борисовной Ившиной.

— Как удалось в непростые для науки годы осуществить проект, включающий не только получение фундаментальных результатов, но и их внедрение?

— Задача восстановления загрязненных нефтью и нефтепродуктами северных экосистем стала в 1990-е годы очень актуальной. С началом экономического кризиса оказались востребованными земельные ресурсы Крайнего Севера, однако к тому времени загрязнение северных территорий углеводородами приобрело огромные масштабы. Если оценивать потери нефти в 1,5% добычи, то они превышают 5 млн. тонн ежегодно. Протяженность нефтесборных и магистральных нефтепроводов составляет более 550 тыс. км, по ним транспортируется более 1,2 млрд. м³ жидкости в год (нефти и буровых вод). При этом количество аварий разных категорий достигает 70 тыс. В местах освоения нефтегазовых месторождений в Западно-Сибирском регионе выявлено свыше 200 тыс. га нефтезагрязненных земель, значительные территории были загрязнены углеводородами в Республике Коми.

Надо сказать, что в последние годы применение физико-химических методов очистки достигло своих пределов, и все большее значение приобретают биологические способы восстановления нефтезагрязненных земель. Они экологически безопасны и относительно недороги: если стоимость очистки 1 м³ загрязненной почвы методом сжигания составляет около 3 тыс. долл. США, то с использованием биоочистки — от 100 до 300 долл.

Там, где теплый период года непродолжителен, естественные процессы самоочищения и восстановления загрязненных почв протекают медленно. При этом северные экосистемы чрезвычайно уязвимы, чувствительны к любым техногенным воздействиям, особенно механическим. Поэтому в северных регионах актуально использование щадящих природу технологий, предусматривающих эффективное стимулирование окисления углеводородов микроорганизмами, а так же внесение биопрепаратов, созданных на основе активных штаммов-биодеструкторов.

Реальная возможность осуществления проекта появилась благодаря инновационной активности Российской академии наук и кооперации специалистов разного профиля — ученых, непосредственных недропользователей и представителей природоохранных структур. Это потребовало особой культуры междисциплинарных исследований, которой до недавнего времени в научном сообществе еще не было.

— Премия, полученная вашим авторским коллективом, — итог нескольких десятилетий кропотливой работы. Когда она началась?

— Исследования микробной трансформации углеводородов, характера изменений состояния почвенных микробных сообществ после нефтяных загрязнений в зоне средней тайги начались в Пермской области в середине 1970-х годов по инициативе доктора геолого-минералогических наук Александра Антоновича Оборина, к сожалению ныне покойного. В 1976 — 2006 годах он заведовал лабораторией геологической микробиологии Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН и воспитал целую плеяду специалистов в области биологической рекультивации. В начале 1990-х годов работы по изучению этих процессов на севере Республики Коми логично продолжила кандидат биологических наук М.Ю. Маркарова (Институт биологии КНЦ УрО РАН). В результате подтвердились концептуальные выводы пермских коллег о решающей роли последовательной микробной трансформации углеводородов в очищении биогеоценозов от нефти, и был разработан дифференцированный подход к восстановлению загрязненных земель с учетом состава загрязнителя (нефти) и возраста разливов.

Одновременно в Институте экологии и генетики микроорганизмов шло детальное изучение природных популяций углеводородокисляющих микроорганизмов, их биоразнообразия и динамики развития. Исследования поведения, выживаемости и конкурентоспособности интродуцированных родококков в условиях открытых экосистем были необходимы для оценки полезности и безопасности интродукции в почву чистых непатогенных культур алканотрофных родококков.

 

Ликвидация последствий Усинской катастрофы в Республике Коми — самого крупного в мире аварийного разлива сырой нефти.

 

Главный результат этой работы — региональная профилированная коллекция алканотрофных микроорганизмов, насчитывающая около двух тысяч идентифицированных непатогенных штаммов, которые выделены из многих тысяч образцов почв, поверхностных и пластовых вод, снега, воздуха, керна. Среди коллекционных культур широко представлены психроактивные штаммы с широким температурным диапазоном, биотрансформаторы компонентов различных этапов деструкции нефти, штаммы — продуценты биосурфактантов. Наибольшую долю составляют актинобактерии рода Rhodococcus, одни из самых активных окислителей природных и антропогенных углеводородов. На основе коллекционных культур разработаны и запатентованы биопрепараты и экологически безопасные технологии восстановления нефтезагрязненных почв и грунтов в условиях холодного климата.

— В чем заключаются биологические методы очистки нефтезагрязненных земель и как работают микроорганизмы?

— Процесс очищения биогеоценозов от нефти можно представить в виде схемы, где действует ряд природных факторов — физический, физико-химический и биологический. Процессы физического очищения почв — это выветривание, испарение летучих, вымывание водорастворимых, разрушение поверхностных битуминозных соединений. Физико-химические процессы разрушения нефти связаны с ферментативным ее преобразованием в более простые вещества, которое напрямую зависит от биологической активности почвы, т.е. от степени активизации микробного сообщества. Для каждого нефтяного соединения в природной системе существует биологический контрагент, способный включать его в свой метаболизм и использовать в качестве источника углерода в питательной цепи. Как уже говорилось, в холодном климате процессы самоочищения экосистем протекают крайне медленно. Можно существенно ускорить этот процесс благодаря применению различных биопрепаратов. Так, разработанная совместно с доктором биологических наук М.С. Куюкиной (ИЭГМ ПНЦ УрО РАН) биотехнология восстановления нефтезагрязненных почв и грунтов на основе олеофильного биопрепарата в условиях холодного климата обеспечивает 90-процентное очищение почвы с изначально высоким уровнем загрязнения в течение 7 недель. При этом содержание остаточных нефтепродуктов не превышает предельно допустимого уровня (0,1 вес. %), благодаря чему такие земли возвращаются в хозяйственное пользование. Применение биореактора в технологической схеме позволяет постоянно контролировать рабочие параметры (температуру, рН, степень аэрации, расход биопрепарата, плотность микробной биомассы) и заниматься очисткой нефтезагрязненных почв в холодные сезоны.

Для северных почв с повышенной кислотностью М.Ю. Маркарова разработала серию препаратов на основе психрофильных микроорганизмов — МУС-1, «Универсал», «Лигносорбент». С помощью биопрепарата «Универсал» в Республике Коми и в ХМАО в 2000–2007 годах очищено от нефти около 1000 га земель.

В Институте сельскохозяйственной микробиологии РАСХН (г. Пушкин), который в нашем проекте представляет доктор биологических наук, профессор И.А. Архипченко, разработаны биопрепараты нефтеокисляющего действия на основе отходов сельскохозяйственного производства — «Бамил» и «Омуг-15».

В целом деструкция углеводородов с применением биопрепаратов нефтеокисляющего действия происходит примерно в 100 раз быстрее, чем в процессе естественного разложения.

 

Фрагмент загрязненного участка до и после восстановительных работ.

 

В Республике Коми успешно перерабатываются твердые нефтешламы и очищаются шламовые амбары методом разделения фаз нефть-грунт-вода с последующим возвратом нефти в товарооборот, биологической очисткой токсичных сточных вод и доочисткой грунта с помощью специально подобранных микроорганизмов. В Пермской области и Республике Коми внедрен метод одновременной круглогодичной переработки отходов растениеводства, животноводства, коммунального хозяйства и нефтеотходов, не имеющий в мире аналогов, один из самых эффективных и экологически безопасных. В результате образуется новый продукт — биологически активный компост с заданными свойствами, пригодный для рекультивации нарушенных земель, озеленения территорий и для увеличения плодородия малопродуктивных почв.

— Для проведения рекультивации загрязненных экосистем мало разработать биологические препараты и технологии, нужно создать нормативную базу. Это ведь одна из существенных составляющих вашего проекта?

— Безусловно. С учетом особенностей северных почв и их природного биовосстановительного потенциала для Республики Коми, Пермской области и Западной Сибири были научно обоснованы и утверждены региональные нормативы приемки земель после рекультивации. Один из участников нашего проекта доктор биологических наук, профессор факультета почвоведения МГУ С.Я. Трофимов обследовал несколько сотен загрязненных углеводородами участков для разработки нормативов допустимых остаточных загрязнений на территории Ханты-Мансийского автономного округа и севера Томской области.

В республике Коми создана нормативная база для ликвидации аварийных разливов и рекультивации загрязненных нефтью земель (кандидаты биологических наук А.И. Таскаев, В.К. Загвоздкин, доктор геолого-минералогических наук А.П. Боровинских,), разработаны методики оценки рисков при добыче и транспортировке углеводородного сырья. Впервые в отечественной практике сделана экономическая оценка ущербов, причиненных окружающей среде аварийным разливом нефти.

— В качестве итога приведите, пожалуйста, несколько цифр, характеризующих социально-экономический эффект от внедрения проекта.

— В Республике Коми, Пермском Предуралье, Ханты-Мансийском автономном округе с помощью наших биотехнологий восстановлено более 1500 га земель, ранее загрязненных углеводородами, в Республике Коми переработано около 250 тыс. м³ нефтешламов, в Пермской области — более 100 тыс. м³. С Усинского нефтедобывающего района (Республика Коми), пострадавшего вследствие крупнейшей нефтяной аварии, снят статус зоны экологического бедствия. Предотвращено загрязнение одного из экологически и экономически значимых водных бассейнов — реки Печора.

И еще один практически значимый результат нашей многолетней работы: показана невозможность создания универсальной технологии или универсального биопрепарата, высокоэффективных для всех типов нефтяного загрязнения и в любых природных условиях. В результате массированной рекламы различных препаратов сформировался ложный стереотип, согласно которому существуют упрощенные решения проблемы биодеградации нефтяных загрязнений. Однако принцип универсальности не пригоден для проведения рекультивации в отличающихся природных и субстратных условиях.

 

Лауреаты премии правительства РФ:

М.С. Куюкина	М.Ю. Маркарова	А.П. Боровинских
И.Б. Ившина	А.И. Таскаев	А.А. Оборин

 

Автор: Е. Понизовкина