Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент) назвала 100 лучших изобретений по итогам 2019 года и первого полугодия 2020 года. Среди них – уникальный штамм микроорганизма, способного справляться с нефтяными загрязнениями в условиях низких температур и высокой солености воды. Этот уникальный микроб был открыт в процессе работы по созданию биопрепарата для очистки северных морей от нефтяных загрязнений. Препарат разрабатывается "Арктическим научным центром", который входит в корпоративный научно-проектный комплекс "Роснефти", и негосударственным институтом развития "Иннопрактика" на базе биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Проект "Психрофилы" по созданию микробного препарата для утилизации нефтяных загрязнений морей в Арктическом регионе стартовал в 2014 году. Сам термин "психрофилы" обозначает группу микроорганизмов, которые обитают при низких температурах, в том числе отрицательных.
Они разлагают нефть на воду и углекислый газ
"Самая главная история ― найти те микроорганизмы, которые при низких температурах могли бы использовать углеводороды нефти как питание для себя. Идея этого проекта заключается в том, что мы должны использовать не просто психрофильные организмы, это должны быть "аборигены". То есть те микробы, которые изначально жили в таких сложных условиях", – поясняет руководитель группы микробной биотехнологии кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Андрей Шестаков в эфире радиостанции "Вести ФМ".
Результат такой переработки нефтяных загрязнений бактериями – просто вода, углекислый газ и микробная биомасса, абсолютно чистая и безвредная, в которой нет следов углеводородов и которую в дальнейшем съедают какие-то другие участники трофической цепи ― все те, кто живет в море. В итоге следов нефти в море совсем не остается, подчеркивает Шестаков.
Борьба с загрязнениями в экстремальных условиях
Сама технология применения микроорганизмов для утилизации нефтяных загрязнений существует уже несколько десятков лет. Но этот способ применяется исключительно в теплых условиях.
"Для отрицательных температур и арктических температур в частности микробного препарата не существовало, – пояснил Шестаков. – В целом микроорганизмы способны развиваться до таких температур, при которых вода остается жидкой. Так как в океане вода соленая, то температура ее замерзания варьирует ― это порядка минус 2-3 градусов. При минус двух градусах вода еще остается жидкой, и в этом случае микроорганизмы способны жить. Нашей задачей было выделить те микробы, которые при низких и, самое важное, при отрицательных температурах способны утилизировать нефтяные загрязнения. Это был достаточно серьезный барьер для поиска микробов. Из огромной выборки образцов, которые были нами получены, в лаборатории было выделено порядка 1% того, что нам подходит".
Вторая сложность в работе ― это соленость. Задача разработки стояла в том, чтобы микроорганизмы работали не только в самой воде, но и в ледовых условиях.
"Дело в том, что морской лед состоит из пористой структуры пресного льда, в капиллярах которого находится концентрированный "рассол". То есть соленость этой воды гораздо выше, чем воды, которой находится подо льдом, – поясняет условия отбора микроорганизмов руководитель кафедры биофика МГУ. – Нам нужно было выделить психрофилов, причем тех, которые будут существовать не только при низких температурах, но и при высокой солености".
Этим бактериям придется "работать" на аварийных разливах нефти. Сейчас если кто-то слышит словосочетание "разлив нефти", то представляет масштаб катастрофы в Мексиканском заливе – огромное количество углеводородов, которое моментально появляется в воде.
"Для таких загрязнений есть целый протокол: каким образом нужно с ними бороться. В первую очередь нужно ограничить территорию их распространения. Для этого есть специальные боновые заграждения, с помощью которых локализуют нефть, чтобы она дальше по поверхности моря не распределялась, – рассказывает технологию локализации утечек Шестаков. – Второй этап ― это механический сбор. Есть суда со специальным оборудованием, которые оборудованы специальным механизмом, которые собирают верхнюю пленку нефти, отделяют ее от воды, воду возвращают назад. Используются различные сорбенты для того, чтобы собрать остатки нефти. И на самом завершающем этапе утилизации загрязнений, когда углеводородов остается немного, уже используются биологические методы, то есть те микроорганизмы, которые эти остатки углеводородов съедают. В случае аварийных разливов микроорганизмы используются как раз в финальной части процедуры".
Борьба с хроническими загрязнениями
Но есть вторая группа загрязнений — это хронические разливы нефти с судов, при заправке, на добывающих платформах, в порту.
"Незначительное количество углеводородов появляется в воде, когда пролили что-то немного. Естественно, никаких процедур механического сбора, локализаций не происходит. Таких загрязнений на самом деле больше, чем аварийных в океане, – говорит руководитель кафедры биофака МГУ. – Мы разрабатывали форму применения микроорганизмов, которая позволит при таких мелких хронических разливах использовать микробы. Это как раз та самая дозировка нефти, если можно так выразиться для микробов, которую они успешно всю съедят. В аварийных случаях микроорганизмы ― это финальная часть утилизации загрязнений, а в случаях хронических ― единственно возможная".
На финишную прямую из ста видов вышла лишь десятая часть
Далее такие семплы (образцы) в специальных контейнерах в условиях низких температур доставляются в лабораторию в Москве. Здесь выделяют нужные микроорганизмы и в лаборатории оценивают скорость их питания углеводородами, имитируя условия моря – отрицательные температуры, соленость. Это первый этап отбора.
Следующий этап: разработка препарата, в котором микроорганизмы находятся в сухом состоянии. Сложность в том, что обитающие в море микроорганизмы не очень любят, когда их высушивают. Из сотен чистых культур микроорганизмов, которые питаются углеводородами, на финишную прямую выйдут лишь полтора десятка. Из них надо отобрать те, кто способен жить, расти, делиться и использовать углеводороды нефти в качестве питания при минус 2,6 градуса.
При этом важно отобрать безопасные для человека микроорганизмы.
"Психрофильные микроорганизмы обитают при низких температурах. Температура тела человека для них является катастрофически неприемлемой, они при такой температуре не растут и умирают, – заверяет Шестаков. – Мы сейчас находимся на завершающей стадии этого проекта ― испытания на безопасность по отношению к человеку, к другим представителям животного мира в Арктике. Микроорганизмы в применении экономически эффективны, они показали удивительно высокие скорости утилизации нефтепродуктов. Мы получили удивительные результаты в наших модельных испытаниях сейчас, в лаборатории".
Теперь дело за натурными испытаниями – у биологического факультета есть для этого специальная площадка. Это Беломорская биологическая станция МГУ, находящаяся в Арктики, на территории однолетних льдов.
Научный путь: от микроорганизма до препарата
Еще одна проблема – это доставка препарата в места нефтяных загрязнений.
"Все существующие в настоящее время препараты предназначены для локализованных загрязнений, на земле или на заболоченных территориях, когда перед вами, условно говоря, находится пятно нефти. В море история иная, там все очень динамично, и поэтому мы не можем использовать микробные препараты в тех традиционных формах, в которых используются сейчас ― в виде жидкости и виде порошка. Мы просто не можем зачастую попасть в пятно, – разводит руками ученый. – Задачей было разработать какую-то технологию, которая позволила бы целевым образом донести микроорганизмы непосредственно в загрязнение. И мы это придумали, реализовали достаточно простую идею. Препарат из микробов представляет из себя маленькие шарики диаметром 1-2 миллиметра. В центре каждого шарика в сухом состоянии, в анабиозе, находятся микроорганизмы и ряд питательных веществ, который позволяет достаточно быстро "прийти в себя" в морской воде. Этот шарик покрыт материалом, который не смачивается водой — такая герметичная сфера. Важно, чтобы эта сфера имела положительную плавучесть, то есть чтобы при высыпании шариков в воду они оставались на поверхности. Оболочка должна не растворяться в воде, это еще один важный критерий. Она должна исчезать при контакте с углеводородами нефти".
Самонаводящиеся уничтожители загрязнений
Такие шарики в море будут вести себя так же, как пятно нефти. Оно будет двигаться, за ним будут двигаться эти шарики.
"Рано или поздно они сконтактируют где бы то ни было: в акватории, на поверхности судна, платформы, в береговой зоне. Затем они "склеиваются" с нефтяной частью, и оболочка микросферы растворяется, внутрь попадает вода, которая активирует микроорганизм. Получаются такие самонаводящиеся шарики, разлагающие нефть. Таким образом мы поднимаем процент тех микробов, который доберется до нефтяного загрязнения и уничтожит его. Нам было важно активизировать микроорганизмы непосредственно при контакте с углеводородами нефти, иначе колоссальное количество микробов будет просто теряться в воде. Их прекрасно съедят какие-нибудь простейшие, но функцию свою ― утилизацию нефтяных загрязнений ― микробы не выполнят", – рассказал о еще одной сложности создания препарата от нефтяных загрязнений Андрей Шестаков.
Такой научный подход был смоделирован, проверен и опробован. Микросферы с микроорганизмами остались герметичными до контакта с нефтью. Но и вечно плавать они в море тоже не будут.
"Мы поставили для себя задачу, чтобы через какое-то время микросфера тоже все-таки растворялась — и это все является абсолютно безопасным питанием для простейших, рыб".
