Биоремедиация нефтяных разливов на суше

Разлив на суше отличается от разлива на воде не химией, а тем, что переносится в почве. Нефть здесь остаётся связанной с матрицей, кислород не приносит течением, а вымывание и испарение, которые на воде уносят до половины лёгких фракций, действуют слабее. Всё остальное определяется составом самой нефти.

Порядок, в котором исчезают фракции

Нефть — смесь тысяч соединений с разной ферментной судьбой, и убывают они не одновременно. Быстрее всего идут неразветвлённые алканы: алканмонооксигеназа окисляет концевой углерод до спирта, дальше альдегид, жирная кислота и обычное бета-окисление. Разветвлённые изопреноиды — пристан и фитан — идут заметно медленнее, потому что метильная группа при бета-углероде блокирует стандартный цикл и требует обходного пути. Циклоалканы медленнее ещё на порядок. Ароматика вскрывается диоксигеназами с гидроксилированием кольца, и скорость падает с числом колец. Смолы и асфальтены — высокомолекулярные полиароматические структуры с гетероатомами — не имеют известного пути окисления вообще.

Именно этот порядок и объясняет главное практическое наблюдение. Отношение остатка к консервативному внутреннему стандарту — обычно к 17α(H),21β(H)-гопану, устойчивому к биодеструкции пентациклическому тритерпану, — позволяет отделить настоящую биодеструкцию от испарения и вымывания. Нормированные на гопан кривые из полевых работ имеют одинаковую форму: быстрое падение в первые недели, затем плато. Плато — не медленная кинетика. Это состав: остаётся фракция, для которой нет фермента, плюс то, что физически заперто в нанопорах агрегатов и сорбировано на почвенном органическом веществе.

Кислород и вода занимают одну и ту же пору

Полное окисление углеводорода требует порядка трёх граммов кислорода на грамм углеводорода — потребность, которой почва не располагает в растворённом виде. Диффузия кислорода в заполненной воздухом поре примерно на четыре порядка быстрее, чем в заполненной водой, поэтому доля воздухозаполненной порозности, а не численность микроорганизмов, чаще всего и есть скоростьопределяющий параметр. Отсюда смысл площадочной обработки и буртования: рыхление возвращает воздух в поры. Оно же вступает в конфликт с влажностью — при водном потенциале ниже примерно −1,5 МПа активность прекращается, и оптимум лежит в узком окне.

Второй дефицит — азот и фосфор. Разлив добавляет в почву огромный избыток углерода, и стехиометрия биомассы сразу делает лимитирующим азот; в практике вносят удобрение к целевому отношению углерода к азоту и фосфору порядка 100:10:1. Передозировка при этом даёт аммоний и засоление, токсичные для той же популяции.

Что считается очищенным

Свежий разлив сначала подавляет собственных деструкторов: лёгкие ароматические соединения в высокой концентрации действуют как растворитель мембран, и лаг-фаза длится, пока они не улетучатся. На другом конце гидрофобность становится барьером сама по себе: соединения с коэффициентом распределения октанол–вода около десяти в пятой–шестой степени и выше практически не выходят в водную фазу, и клетке приходится контактировать с границей раздела или выделять биосурфактант.

Наконец, нормативный критерий обычно задан как суммарное содержание нефтепродуктов, а это величина, определяемая методом: хроматографическое окно захватывает диапазон углеводородов и не видит того же асфальтенового остатка одинаково. Токсичность за этим показателем следует плохо, и биотестирование остатка говорит о площадке больше, чем достигнутое число.