БИОРЕМЕДИАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕФТЕТОКСИФИЦИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ (ОБЗОР)

BIOREMEDIATION OF OIL-CONTAMINATED SOILS USING OIL-TOXICITY-DEGRADING MICROORGANISMS: ISSUES AND PROSPECTS (REVIEW)

Aruzhan Askergalieva

2nd year undergraduate student, Department of Biology, Kazakh National Pedagogical University named after Abai, Kazakhstan, Almaty

Baknur Amangeldi

2nd year undergraduate student, Department of Biology, Kazakh National Pedagogical University named after Abai, Kazakhstan, Almaty

Kanat Kozhabek

2nd year undergraduate student, Department of Biology, Kazakh National Pedagogical University named after Abai, Kazakhstan, Almaty

Aydana Nurlan

2nd year undergraduate student, Department of Biology, Kazakh National Pedagogical University named after Abai, Kazakhstan, Almaty

Dulat Muratuly

2nd year undergraduate student, Department of Biology, Kazakh National Pedagogical University named after Abai, Kazakhstan, Almaty

Аннотация. Биоремедиация – перспективная технология очистки окружающей среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, основанная на использовании метаболического потенциала микроорганизмов. Проблема загрязнения окружающей среды нефтью актуальна для Казахстана, так как нефтяная промышленность является одной из ведущих отраслей страны. В данной статье проводится научный обзор проблем и возможностей биоремедиации нефтезагрязненных почв на основе нефтедеградирующих микроорганизмов.

Abstract. Bioremediation is a promising technology for environmental cleanup from oil and petroleum product contamination, based on the metabolic potential of microorganisms. The problem of environmental contamination by oil is particularly relevant for Kazakhstan, as the oil industry is one of the country’s leading sectors. This article provides a scientific review of the issues and opportunities of bioremediation of oil-contaminated soils using oil-degrading microorganisms.

Ключевые слова: биоремедиация, нефтезагрязненные почвы, нефтедеградирующие микроорганизмы, нефть, нефтепродукты, углеводороды.

Keywords: bioremediation, oil-contaminated soils, oil-degrading microorganisms, oil, petroleum products, hydrocarbons.

Введение

В современном мире нефть является одним из основных и наиболее востребованных источников энергии, обеспечивая 30–35% мирового энергопотребления [1,2]. Увеличение объемов добычи нефти, открытие новых месторождений, транспортировка нефти и статус одного из ведущих экспортеров углеводородного сырья требуют разработки эффективных методов очистки окружающей среды в районах добычи нефти. По объемам запасов нефти Казахстан входит в число 15 ведущих стран мира, обладая около 3% мировых нефтяных ресурсов. Перспективные и уже разрабатываемые нефтегазовые регионы охватывают площадь 1700 тыс. км², что составляет более 62% территории страны, и включают свыше 208 нефтегазовых месторождений [3].

Целью данной статьи является научный обзор эффективности и проблем биоремедиации нефтезагрязненных почв с использованием нефтедеградирующих микроорганизмов.

Влияние нефти на почву

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами вызывает изменения химических свойств почвы, включая содержание органического углерода, гумуса, а также количество и соотношение макро- и микроэлементов [5]. Помимо общего изменения уровня органического углерода, изменяется и фракционный состав гумуса. Исследования показывают значительное снижение содержания гуминовых кислот и увеличение доли гидролизуемых остатков, таких как гумин и гуминоподобные вещества, лигнин, терпены, восковые смолы и битумы [6].

Распространение нефтедеградирующих микроорганизмов в природе

Микроорганизмы обладают высоким биотехнологическим потенциалом в природе. В разложении нефтяных углеводородов в загрязненных почвах основную роль играют микроорганизмы. Наиболее распространенными бактериями, способными разлагать углеводороды нефти, являются представители рода Pseudomonas. Это грамотрицательные, палочковидные, неспорообразующие бактерии с полярными жгутиками [9]. К ним относятся такие виды, как Pseudomonas putida, Pseudomonas paucimobilis, Pseudomonas vesicularis, Pseudomonas desmolytica, Pseudomonas dacunae, Pseudomonas longa, Pseudomonas pelliculosa и другие. Эти бактерии широко распространены в нефтяных пластах [10].

Бактерии, относящиеся к роду Rhodococcus, активно разлагают углеводороды нефти. Они участвуют в ассимиляции n-алканов и ароматических углеводородов. Родококковые бактерии – это грамположительные, аэробные, частично кислотоустойчивые микроорганизмы.

Штаммы рода Gordonia также являются деструкторами углеводородов нефти [11]. Род Gordonia относится к семейству Gordoniaceae порядка Corynebacteriales класса Actinobacteria. Исследования показали, что представители рода Gordonia выделены как отдельный таксон на основе биохимических и филогенетических характеристик, отличающих их от рода Rhodococcus. Многие виды рода Rhodococcus были пересмотрены в 1989 году и отнесены к роду Gordonia, названному в честь американского бактериолога Рут Гордона. Некоторые виды рода Gordonia способны окислять алифатические и ароматические углеводороды, включая полициклические ароматические углеводороды нефти и нефтепродуктов [12].

Многочисленные исследования описывают бактерии рода Dietzia как активных деструкторов нефти и ряда нефтепродуктов [13]. Род Dietzia включает бактерии с низкой дивергенцией последовательностей генов 16S рРНК, что затрудняет их филогенетическую идентификацию. Dietzia sp. (семейство Dietziaceae, подотряд Corynebacterineae, порядок Actinomycetales) изначально были выделены из различных сред. На сегодняшний день род включает более десяти видов: D. maris, D. natronolimnaea, D. psychralcaliphila, D. kunjamensis, D. cinnama, D. papillomatosis, D. schimae, D. cercidiphylli, D. lutea, D. aerolata, D. timorensis и D. alimentaria [14]. Эти бактерии выделены из нефтезагрязненных почв, пресных и соленых водоемов. Некоторые представители рода обладают способностью разлагать n-алканы, алифатические углеводороды и ароматические соединения, что делает их перспективными для биоремедиации нефтезагрязненной среды при низких температурах и в широком диапазоне рН [15].

Биоремедиация – основной метод очистки почвы, загрязнённой нефтью

Биоремедиация – это технология биологической очистки, основанная на использовании живых организмов, способных поглощать, метаболизировать и разлагать органические загрязнители в процессе своей жизнедеятельности.

Технологии биоремедиации делятся на два основных типа: ex situ (очистка за пределами загрязнённого участка) и in situ (очистка на месте).

Ex situ биоремедиация. Этот метод осуществляется за пределами места загрязнения. Загрязнённую нефтью почву извлекают и очищают в специальных установках, после чего возвращают обратно. К преимуществам метода относится усиление контроля за процессом и его оптимизация. Среди недостатков – высокие затраты и временное выведение значительных участков земли из хозяйственного оборота.

Биостимуляция. Этот подход основан на регулировании роста естественных микроорганизмов, обитающих в загрязнённой почве и способных разлагать загрязнители. Однако недостаток биогенных элементов (азот, фосфор, калий и других соединений) или неблагоприятные физико-химические условия могут снижать эффективность микроорганизмов. Естественный процесс разложения углеводородов часто ограничивается экологическими условиями.

Минеральные удобрения. Питательные вещества (в основном азот, фосфор, калий, а в некоторых случаях железо) являются важными компонентами эффективного процесса биодеградации углеводородов. Для активации естественной микрофлоры в загрязнённую экосистему вводят питательные вещества в виде солевых смесей или отдельных элементов.

Исследования показывают, что применение минеральных удобрений является важным фактором в процессе рекультивации. Например, работа D.K. Chaudhary и соавторов демонстрирует, что при использовании азота и фосфора в сочетании с бактерией Acinetobacter sp. K-6 (концентрация клеток: 8 × 10⁶ КОЕ/г) скорость биодеградации дизельного топлива и разложения насыщенных алифатических углеводородов значительно возрастала.

Органические удобрения. Минеральные удобрения широко применяются в биостимуляции, однако их стоимость является важным параметром при оценке перспективности восстановления. Перспективным решением является использование отходов растениеводства и животноводства. Исследования показывают, что для этих целей можно использовать отходы, такие как шелуха подсолнечника, риса, кожура бананов, какао, опилки, а также навоз коров, коз и куриный помёт.

Биоаугментация. Этот процесс включает внесение в загрязнённую почву специализированных микроорганизмов, которые ранее не обитали на данном участке. Такие микроорганизмы могут быть выделены из других загрязнённых почв или созданы путём генной модификации. Использование биостимуляции и биоаугментации в сочетании позволяет значительно ускорить и улучшить разложение углеводородов. Эти методы часто комбинируют в технологиях, направленных на восстановление экосистем.

Отечественный опыт. В Казахстане разработан биопрепарат «Бакойл-KZ», созданный учёными ТОО «Научный центр микробиологии и вирусологии». Препарат содержит консорциум штаммов Acinetobacter calcoaeticum 2A и Microbacterium lacticum 41-3. Испытания препарата на почвах Атырауской области показали, что он не только снижает содержание нефти, но и повышает ферментативную активность почвы, а также усиливает её дыхательную способность.[20].

Заключение

Таким образом, обзор литературы показывает, что в нашей стране проблема очистки экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, а также их восстановление является широко распространенной. Для этого разрабатываются различные технологии, в том числе биологические методы, которые внедряются на практике. Среди биологических методов наиболее эффективным является метод биоремедиации нефте загрязненных почв с использованием нефтедеградирующих микроорганизмов. Биологические препараты, созданные на основе активных нефтедеградирующих микроорганизмов, широко применяются, они являются разрушителями углеводородов нефти. Кроме того, в Казахстане высокие возможности для выбора микроорганизмов, разлагающих нефть, и не возникает никаких проблем, так как они широко распространены. В связи с этим биоремедиация загрязненных нефтью земель с использованием биопрепаратов, основанных на нефтедеградирующих микроорганизмах, имеет большое значение с точки зрения своей эффективности и возможности применения.