Биодеградация нефти в почве

Естественную деградацию нефти в почве подразделяют на три основных этапа:

I. На первом этапе, длительность которого составляет 1-1,5 г, в результате выветривания, вымывания происходит удаление из почвы газообразных и легко летучих соединений - наиболее низко молекулярных составляющих нефти. Именно эти фракции обуславливают острые токсические свойства нефти по отношению к почвенной биоте, которая на этом этапе значительно подавлена. Дальнейшая деградация связана с деятельностью микроорганизмов. Наибольшую активность при этом типе загрязнения проявляют УОМ, они обнаруживаются уже через несколько дней после загрязнения. Углеводородокисляющая микрофлора почвы представлена, главным образом сапрофитными микобактериями и родственными с ними формами, имеющими в клеточных стенках миколовые кислоты (роды Pseudomonas, Corinobacterium, Nocardia).

II. Второй этап более длительный - 4-5 лет. На этом этапе происходит разложение нефтяных УВ, обусловленное, большей частью, процессами микробиологической трансформации. В это время идет превращение н-алканов (С17-С30), и начинается окисление простейших ПАУ. Показано, что процессы разложения нефти идут в двух противоположных направлениях. С одной стороны, окисление нефти приводит к упрощению ее структуры, что обусловлено деятельностью УОМ. Они разлагают н-алканы и простые ПАУ. С другой стороны, в этот период в почве обнаруживают промежуточные продукты: ароматические и алифатические эфиры, кетоны, альдегиды. Таким образом, на втором этапе исчезают низкомолекулярные составляющие, идет накопление ПАУ, смол и асфальтенов. Обнаруживают много споровых бактерий и грибов.

III. Третий этап - наиболее длительный и наименее изученный. В почве остаются высокомолекулярные соединения нефти, которые меньшей степени поддаются микробиологической деструкции. В почвах, находящихся на этой стадии, количественный состав микроорганизмов близок к его уровню в незагрязненной почве.

Ключевым процессом самоочищения почв от нефтяных УВ является биодеградация. Микробное разложение нефтепродуктов в почве - сложный процесс, зависящий от ряда факторов, основными из которых являются: физико-химические свойства УВ и состав нефти и нефтепродуктов (соотношение представителей различных классов УВ); условия окружающей среды; биодоступность УВ в почве. Доступность нефтяных УВ для микробного разложения различна и убывает в ряду: н-алканы > разветвленные алканы > разветвленные алкены > низкомолекулярные алкил-моноароматические УВ > моноароматические УВ > циклические алканы > ПАУ > асфальтены. Однако возможны значительные отклонения от этой схемы.

В углеводородной смеси в первую очередь трансформируются молекулы, имеющие наименьшую энергию разрыва связей. Намечается следующая последовательность окисления углеводородов: а) соединения с гетероатомами (О, S, N), нетоксичными для организмов; б) соединения, содержащие третичный, вторичный атомы углерода или атом углерода у двойной связи (замещенные арены и циклоалканы, нафтеново-ароматические, алифатические углеводороды с разветвленной цепью); в) высокомолекулярные нормальные алканы; г) алкилзамещенные одноядерные циклические углеводороды; д) низкомолекулярные алканы и незамещенные циклические углеводороды.

Адекватная оценка распада нефти в почве трудна, а иногда невозможна ввиду огромного количества компонентов, содержание которых варьирует в зависимости от месторождения. Механизмы модификации и последующей деградации нормальных алканов и изоалканов схожи. Нормальные алканы с длиной цепи C2-C38 деградируются различными видами Pseudomonas, Acinetobakter, Rhodococcus, Nocardia и другими актиномицетами и грибами (например, Penecillum и Candida). Начальный окислительный метаболизм алканов, например окисление конечных метильных групп, требует молекулярный кислород. Для реакции окисления необходимо присутствие NADH или NADPH в качестве коферментов для индуцибельных моно- или полифункциональных оксигеназных систем. При этом наблюдается следующая последовательность расщепления алканов: метильная группа трансформируется в спиртовую, затем в альдегидную и в карбоксильную. Образовавшаяся жирная кислота метаболизируется по пути β-окисления. Также известно, что жирные кислоты, полученные от алканов с четным и нечетным количеством углеродных атомов, легко включаются в клеточные фосфолипидные структуры плазмалеммы. Хотя деградация длинноцепочечных алканов не изучена в достаточной степени, эксперименты по потреблению кислорода Haines показали, что микроорганизмы, присутствующие в разведенной суспензии наносного суглинка, могут деградировать C₇-C₄₄ н-алканы за 10-20 дней. Дополнительные исследования показали, что алканы с длиной цепи C₁₃-C₃₈ в средней и тяжелых сырых нефтях могут существенно деградироваться (на 25-95℅) выделенными из почвы Acinetobakter sp.T4 и смешанной культурой SM8. Психротрофные штаммы Pseudomonas выделенные из арктических почв могут деградировать C₅-C₁₂ алканы и нафталин (на 70-90℅). Однако, несмотря на преимущественно аэробную деградацию алканов имеются данные и об анаэробной деструкции алканов. В работе Rueter показано анаэробная деградация С₆-С₂₀ н-алканов чистыми культурами сульфатредуцирующих микроорганизмов и бактериальными препаратами. Соответствующие спирты и кислоты были также утилизированы с наблюдаемым приростом клеток 0,07 г. клеток/г. алкана.

Изоалканы (разветвленные алканы) содержат одну или более СH₃ группы вдоль цепи и обычно полностью метаболизуется в СО₂, произведя моно- и дитерминальные карбоксикислоты. Разветвленные ацильные изопреноиды с множеством метильных групп (пристан, фитан, сквален), как было показано для выделенных аэробных актиномицетов и бактериальных препаратов, способны полностью окисляться и медленно разлагаться до моно- и дикарбоновых кислот и далее включаться в клеточные липиды или подвергаются деградации в другие продукты, например в СО₂. Также сообщается о возможности анаэробной деградации изоалканов нитратредуцирующими культурами, выделенными из загрязненных дизельным топливом почв.

Первичные алкены (1-алкены) С₃-С₁₆ трансформируются через терминальное или субтерминальное окисление монооксигеназами в соответственные 1- и 2-алканолы с последующим образованием терминальной кислотой или α-гидроксикислотой и β- расщеплением. Внутренние спирты и кетоны также формируются микробными энзимами и культурами клеток из алканов, содержащих случайно распределенными двойными связями вдоль цепи. Эпоксиды могут быть образованы как промежуточные продукты из С₂-С₄ алкенов метанотрофами и пропанотрофами.

Основными природными факторами, влияющими на биодеградацию УВ в почве, является температура, условия аэрации и влажности, кислотность и обеспеченность элементами минерального питания.

Оптимальной температурой для развития УОМ в почвах считают температуру в диапазоне 20-30⁰С; известно, что среди этой группы есть психрофильные (-1⁰С) и термофильные (выше 50⁰С) микроорганизмы.

Наличие кислорода как акцептора электронов является необходимым условием протекания аэробной деструкции нефтяных УВ. Показано, что аэробные процессы биодеградации протекают при концентрации кислорода в среде не менее 2 мг/л. Однако нефтяные УВ, пропитывая почвенные частицы, ухудшают доступ кислорода, и в почвенных агрегатах создается значительное количество микрозон с его ограниченным доступом. В то же время в отсутствии молекулярного кислорода рост микроорганизмов на УВ возможен, если в качестве терминального акцептора электронов используются нитраты, окисное железо, марганец (IV), сульфат и диоксид углерода. Однако скорость деградации нефтяных УВ в анаэробных условиях ниже, чем в аэробных.

При благоприятных условиях температуры и аэрации основным фактором, лимитирующим биодеградацию нефтяных УВ в природных средах, в том числе в почве, считают обеспеченность элементами питания. Эта зависимость обусловлена тем, что наибольшая интенсивность потребления УВ микроорганизмами имеет место в процессе их активного роста. В условиях дефицита элементов минерального питания микробный рост ограничен, и потребление УВ микроорганизмами направлено лишь на обеспечение энергозатрат - поддержание жизнедеятельности. Среди элементов питания, обеспечивающих рост УОМ, важнейшими являются источники азота и фосфора.

Микроорганизмы, в том числе УОМ, не могут развиваться в полностью обезвоженной среде. В зависимости от свойств почвы максимум микробиологической активности наблюдается при влажности почв в диапазоне от 7 до 30% (до примерно 60% от полной влагоемкости). В условиях меньшей влажности в качестве лимитирующего фактора выступает доступность воды, а более высокой - недостаток кислорода.

Общепризнано влияние кислотности почвы на биодеградацию поллютантов, в том числе нефтяных УВ. Показано, что при рН 5,1-5,2 биодеградация дизельного топлива (0,4%) в почве была резко лимитирована. Хотя для биоремедиации УВ оптимальным является нейтральный рН, их деградация аборигенной микрофлорой достаточно эффективно протекает и в более широком интервале кислотности почвы: от 5,5 до 8,5.

На процессы естественной очистки почвы от нефтяных УВ влияет также длительность загрязнения: с увеличением времени нахождения УВ в почве его биодоступность микроорганизмам для деградации уменьшается в результате процессов «старения». Под «старением» подразумевают происходящее со временем перераспределение поступивших в почву жидких УВ между четырьмя фазами - адсорбированной; растворенной; газообразной и отдельной несмешивающейся с водой. Соотношение между ними определяется физико-химическими свойствами УВ. Процесс старения УВ в почве может занимать от 2-3 недель и до нескольких десятков лет, в результате чего происходит снижение токсичности загрязнения для почвенной биоты. Основные процессы старения загрязнения, в результате которых УВ могут быть удержаны в почве, включают их диффузию в трехмерную структуру почвенных частиц и сорбцию органическим веществом и минеральными компонентами. Взаимодействия между УВ и минеральной поверхностью почвы существенны только тогда, когда содержание органического вещества в почве меньше 0,1 %. Поэтому органическое вещество почвы играет более важную роль в процессах старения УВ загрязнения. В соответствии с одной из наиболее распространенных теорий, аморфное органическое вещество, в состав которого входят гуминовые кислоты и фульвокислоты, характеризуется обратимой сорбцией УВ. В то же время «стеклообразное» органическое вещество почвы, представляющее собой жесткую, конденсированную структуру с гумином и керогеном характеризуется необратимым удерживанием УВ. В ряде работ показано, что с увеличением времени контакта в системе почва-поллютант степень их взаимодействия возрастает. Биодеградируемой фракцией органических поллютантов в почве называют фракцию, которая может быть легко десорбирована с почвенных частиц и присутствует в водной фазе. Показано, что растворенные в почвенном растворе УВ более доступны микроорганизмам для деградации, в то время как сорбированные УВ имеют меньшую биодоступность.