Микробная биоремедиация

Практически для каждого значимого органического загрязнителя известен путь микробной деградации. Нефтяные углеводороды, хлорированные растворители, нитроароматика, фенолы, многие пестициды: ферменты охарактеризованы, штаммы лежат в коллекциях, а в колбе, где вещество растворено в воде, реакция идёт до конца. Полевая ремедиация тем не менее останавливается — и по причинам, не связанным со способностью разрушать.

Биодоступность и есть кинетика

Клетка потребляет растворённый субстрат. В почве бо́льшая часть загрязнителя не растворена. Гидрофобные соединения распределяются в органическое вещество почвы, а коэффициент распределения растёт с гидрофобностью: примерно выше log Kow 5 водная доля становится настолько малой, что наблюдаемая скорость деградации задаётся скоростью выхода молекулы из органической фазы, а не скоростью работы клетки. Загрязнение к тому же «стареет»: за месяцы и годы вещество диффундирует в нанопоры частиц и в уплотнённые органические домены, откуда десорбция медленная и двухфазная. Отсюда и то, что площадка описывается кинетикой десорбции первого порядка, а не кинетикой Моно; и то, что измеряемый период полуразложения удлиняется по ходу очистки; и то, что валовая концентрация в почве завышает доступную часть. Поверхностно-активные вещества и промывка растворителем бьют ровно в это ограничение — ценой мобилизации ореола.

Редокс-зональность решает, что возможно и где

Сообщество использует акцепторы электронов в порядке убывания энергетического выхода: кислород, нитрат, марганец(IV), железо(III), сульфат и, наконец, диоксид углерода. Углеводородный шлейф поэтому сам собой выстраивается в концентрические зоны — аэробную по краю и метаногенную в ядре. Следствие: пригодность вещества к обработке зависит от того, где оно находится. Нефтяные углеводороды окисляются легко, но выедают кислород, который в водонасыщенном грунте и есть дефицитный реагент. Высокохлорированные растворители вроде перхлорэтилена — противоположный случай: они уже окислены, устойчивы к аэробной атаке и снимают хлор только восстановительно, что требует сильно восстановительных условий и донора водорода. Эта реакция обычно застревает на цис-1,2-дихлорэтене и винилхлориде — промежуточных продуктах более токсичных и более подвижных, чем исходное вещество, — если на площадке нет организмов рода Dehalococcoides с нужными генами восстановительных дегалогеназ.

Кометаболизм не приносит выгоды

Часть превращений не даёт клетке ничего. Метанмонооксигеназа и толуолдиоксигеназа попутно окисляют трихлорэтен, но организм не получает от этого ни углерода, ни энергии, эпоксидный продукт повреждает клетку, а сам загрязнитель конкурирует с ростовым субстратом за тот же фермент. Поэтому кометаболическая схема требует непрерывной подачи первичного субстрата, и увеличение его дозы ради прироста биомассы одновременно подавляет ту самую реакцию, ради которой всё делается.

Почему биоаугментация обычно не срабатывает

Внесение выращенного штамма на площадку чаще всего не даёт измеримого эффекта. Интродуцированная популяция встречает выедание простейшими, фаги, конкуренцию сообщества, уже отобранного химией этой площадки, и условия, непохожие на те, в которых её растили; за недели её численность падает на порядки. Биостимуляция удаётся там, где не удаётся аугментация, потому что снимает действительное ограничение — акцептор электронов, донор, азот или фосфор — и позволяет разрастись местному сообществу. Исключение подтверждает правило: если нужная функциональная группа отсутствует физически, как часто отсутствует Dehalococcoides, внесение определённого консорциума работает и является стандартной практикой.

Остаточный предел — термодинамический. При очень низких концентрациях энергия деградации перестаёт покрывать поддержание клетки, и кривая выполаживается выше целевого уровня — нередко выше норматива питьевой воды.