Пряме рішення: Як мікроби очистять розлив нафти з глибоководного горизонту

Бактерії та інші мікроби - це єдине, що врешті-решт очистить поточні розливи нафти в Мексиканській затоці

Підпишіться на безкоштовні бюлетені Scientific American.

"data-newsletterpromo_article-image =" https://static.sciachingamerican.com/sciam/cache/file/CF54EB21-65FD-4978-9EEF80245C772996_source.jpg "data-newsletterpromo_article-button-text =" Зареєструватися "data-newsletterpromo_art button-link = "https://www.sciachingamerican.com/page/newsletter-sign-up/?origincode=2018_sciam_ArticlePromo_NewsletterSignUp" name = "articleBody" itemprop = "articleBody">

Остання (і єдина) оборона від триваючого розливу нафти Deepwater Horizon в Мексиканській затоці є крихітною - мільярди мікроорганізмів, що жують вуглеводні, такі як Alcanivorax borkumensis. Насправді основним мотивом використання понад 830 000 галонів хімічних диспергаторів на нафтовій плямі як над, так і під поверхнею моря є розбиття нафти на менші крапельки, які бактерії можуть легше споживати.

"Якщо нафта знаходиться в дуже дрібних краплях, мікробна деградація відбувається набагато швидше", - каже мікробний еколог Кеннет Лі, директор Центру морських досліджень нафти, газу та енергетики Канади з рибного господарства та океанів, який проводив вимірювання крапель нафти в Мексиканська затока для визначення ефективності використання диспергаторів. "Диспергатори також можуть стимулювати ріст мікробів. Бактерії жуватимуть диспергатори, як і масло".

Протягом десятиліть вчені переслідували генетичні модифікації, які могли б підвищити здатність цих мікробів пережовувати розливи нафти на суші чи на морі. Навіть генетик Крейг Вентер прогнозував таке застосування минулого тижня під час відкриття першої у світі синтетичної клітини, і одним з перших патентів на генно-інженерний організм був мікроб, що харчується вуглеводнями, зазначає мікробіолог Рональд Атлас з Університету Луїсвілля. Але жодних ознак таких організмів, які працюють поза лабораторією, немає.

"Мікроби доступні вже зараз, але здебільшого вони не ефективні", - говорить морський мікробіолог Джей Граймс з Університету Південного Міссісіпі. На даний момент немає штучних мікробів, які були б більш ефективними, ніж природні, при використанні вуглеводнів.

Природний світ рясніє безліччю організмів, які об'єднуються як спільнота для розкладання нафти - і жоден мікроб, хоч би яким генетичним шляхом він був, не виявився кращим за цей природний захист. "У кожному океані, який ми розглядаємо, від Антарктики до Арктики є бактерії, що руйнують масло", - говорить Атлас, який оцінював мікроби, генеровані генетично, та інші ідеї очищення внаслідок розливу нафти Ексон-Вальдес на Алясці. "Нафта має тисячі сполук. Вона складна, і спільноти, які живляться нею, складні. Супербук не справляється, оскільки конкурує з цією спільнотою, яка пристосована до навколишнього середовища".

Також нелегко допомогти існуючим спільнотам тисяч мікробів, таким як різні види вібріонів і псевдомонад, швидше з’їсти олію - експерименти з посівом, як правило, не давали результатів. "Мікроби дуже схожі на підлітків, їх важко контролювати", - каже морський хімік Кріс Редді з океанографічного інституту Вудс-Хоул. "Концепція того, що природа з’їсть все це, не є точною, принаймні не за тим часом, який нас турбує".

Подібно до вашого автомобіля, ці морські бактерії та гриби використовують вуглеводні як паливо - і в результаті виділяють парниковий газ вуглекислий газ (CO2). По суті, мікроби руйнують кільцеві структури вуглеводнів морської нафти, використовуючи ферменти та кисень у морській воді. Кінцевим результатом є древня нафта, перетворена на сучасну бактеріальну біомасу - популяція може зростати в геометричній прогресії за кілька днів. "Внизу в Мексиканській затоці є корінне населення [мікробів], пристосоване до нафти через стільки морських перевезень і щоденних розливів. Нафта не є новиною", - говорить Лі, який також стежив за шлейфами нафти під поверхнею. "По всьому світу існує стільки природних просочувань, що якби не мікроби, ми мали б багато нафти в океанах".

Вже вимірювання виснаження кисню на 30% у морській воді Мексиканської затоки свідчать про те, що мікроби важко працюють, харчуючись маслом. "Я сприймаю 30-відсоткове виснаження кисню у воді поблизу нафти як свідчення розпаду бактерій", - говорить Атлас.

Найкраще це відбувається поблизу поверхні, будь то на суші чи в морі, де можуть процвітати тепловодні бактерії, такі як Thalassolituus oleivorans; більш холодні, глибокі води стримують ріст мікробів. "Метаболізм сповільнюється приблизно в два-три рази на кожні 10 градусів Цельсія, коли температура падає", - зазначає біогеохімік Девід Валентайн з Каліфорнійського університету, Санта-Барбара, який щойно отримав фінансування від Національного наукового фонду для характеристики мікробна реакція на розлив нафти, що триває. "Що глибші речі, це відбуватиметься дуже повільно, бо температура настільки низька".

На жаль, саме там, здається, закінчується частина нафти Deepwater Horizon. "Вони бачили нафту на глибині від 800 до 1400 метрів", - говорить мікробний еколог Андреас Теске з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл, чий аспірант Люк Маккей був на дослідницькому судні "Пелікан", яке першим повідомило про такі підземні шлейфи - як передбачали невеликі -масштабні експерименти, такі як американський проект послуг з управління корисними копалинами "Глибокий розлив". "Це або на поверхні, або висить у товщі води і, можливо, опускається до осаду".

Проте мікроби - це єдиний процес розщеплення нафти глибше у воді, далеко від фізичних процесів на поверхні, таких як випаровування або хвилі. "Глибокі води переважно мікробні", коли йдеться про деградацію нафти, хоча ці спільноти не так добре вивчені, як ті, що знаходяться на поверхні, зазначає мікробний геохімік Саманта Джой з Університету Джорджії. "Поки навколо є кисень, він буде пережовуватися".

Однак, щоб зрозуміти, як мікроби працюватимуть і як швидко, потрібно буде краще розуміти, скільки саме там нафти. "Це функція від розміру, і ми не знаємо розміру", - говорить Джой. "Ми повинні знати, скільки нафти витікає. Без цієї інформації ми не можемо почати робити будь-який розрахунок потенційної потреби в кисні або чогось іншого". BP зараз визнає, що його початкова оцінка приблизно 200 000 галонів на день була надто низькою без надання альтернативи; незалежні експерти пропонували оцінку до чотирьох мільйонів галонів на день.

Можливе додавання добрив, таких як залізо, азот та фосфор, для стимулювання росту таких бактерій - підхід, що застосовується для прискорення мікробної активності в осаді вздовж узбережжя Аляски після розливу Ексон-Вальдес. "Ми спостерігали збільшення темпів біодеградації в три-п'ять разів", - говорить Атлас, припускаючи, що ця методика може виявитись ефективною і на залитому нафтою узбережжі Луїзіани. "Це була сотня миль берегової лінії, найбільший проект біоремедіації в історії".

Але це суворо берег. "Як в океані ви зберігаєте поживні речовини разом з олією?" - запитує Лі. "Додавати його в грунт набагато простіше. Ось чому ви не бачите біомедиації у відкритому океані". І аерація ґрунтів у водно-болотних угіддях може мати свої проблеми; Лі спробував обробити змочені нафтою водно-болотні угіддя в Новій Шотландії, де було недостатньо кисню для підвищення мікробної активності. "Це не спрацювало. В результаті у нас була велика ерозія", - говорить він. "Якщо нафта добереться до берега, наша рекомендація полягала в тому, щоб залишити її в спокої і нехай це зробить природа".

Але осад, будь то слиз болотистої землі Луїзіани або глибоке морське дно океану, страждає від нестачі кисню. Це означає, що анаеробні мікроби - древні організми, які живуть через сульфат, а не кисень - повинні робити брудну роботу, пов’язану з споживанням розливу. "Те, що сталося за 10 днів аеробно, потребувало 365 днів, щоб відбулося анаеробно", - говорить Атлас про розпад нафти внаслідок розливу Амоко Кадіс біля узбережжя Франції в 1978 році. Додає Теске: "Важкі компоненти опускаються до осад і утворюючи маслянистий або смоляний килим або поховання. Тоді їх набагато важче деградувати ".

Таке анаеробне середовище може локально розвиватися в самій морській воді, завдяки готовому запасу нафти та квітучим мікробам, які прагнуть її поглинути. У глибоководі, де менше змішується з поверхневими водами для забезпечення свіжих запасів кисню, може виникнути мертва зона. "Це не обмін атмосферою", - зазначає Джой. "Як тільки кисень зникне, як ви збираєтеся його замінити? Він не буде змішуватися зимовими штормами". Це погана новина для швидкого розпаду нафти, а також для коралів Лофелії та інших сидячих глибоководних мешканців.

У той же час додавання 130 000 галонів диспергаторів глибоко під поверхнею має невизначені наслідки; це може в кінцевому підсумку знищити мікроби, яким воно має допомогти завдяки тому факту, що Corexit 9527A містить розчинник 2-бутоксиетанол, який є відомим канцерогеном для людини і токсичним для тварин та інших видів життя. Але Американське агентство з охорони навколишнього середовища, Національна адміністрація океану та атмосфери та інші контролюють, чи додавання таких диспергаторів в кінцевому підсумку сприяє зростанню мікробів і, отже, небезпечно виснажує рівень кисню серед інших потенційних шкідливих наслідків для навколишнього середовища.

Також не ясно, як швидко реакція мікробної спільноти. "Які мікробні спільноти реагують найшвидше?" - запитує Теске. "Це було б цікаво знати", і це розлив нафти може дати реальну відповідь. Деякі дослідження показують, що розливи нафти можуть насправді харчуватися азотом, стимулюючи ріст різних бактерій, які фіксують життєво важливу поживну речовину, зазначає Джойе. У той же час мікробні хижаки, такі як найпростіші, як правило, пригнічують ефективність потенційних мікробів, що харчуються маслом.

Вчені все ще працюють над тим, щоб розгорнути відомих пожирачів нафти, таких як Алканіворакс, у вигляді стріл, закріплених добривами з повільним вивільненням та мікробами. В експериментах такі мікробні буми з'їдали важке мазут за два місяці, і "експериментальна стічна вода була достатньо чистою, щоб її можна було випустити назад у море", - каже генетик з охорони навколишнього середовища Пітер Голішин з Університету Бангор. Але "в Мексиканській затоці кількість нафти просто занадто велика. Нафта розсіюється, але недостатньо [азоту] і [фосфору] для живлення бактеріального росту".

Зрештою, лише мікроби можуть вивести нафту з океану. "У довгостроковій перспективі саме біодеградація виводить більшу частину нафти з навколишнього середовища в цих ситуаціях", - говорить Лі. Або, як заявляє Джой, "вони розумні, вони міцні, вони в основному можуть їсти цвяхи ... Мікроби знову повинні врятувати нас".

Незалежно від того, олія затримається в довкіллі довгий час. Мікроби розщеплюють вуглеводні за тижнів до місяців до років, залежно від сполук та концентрацій, а не годин чи днів, зазначає Атлас. "Значна частина справжньої смоли або асфальтових сполук не піддається мікробній атаці .... Смола має тенденцію зберігатися. Асфальт має тенденцію зберігатися".

Валентин додає: "Ми не робили б з них дороги, якби бактерії їх з'їли".