Каждый год миллионы тонн нефти и нефтепродуктов попадают в окружающую среду, отравляя почву и воду. После таких экологических аварий специалистам нужно как можно скорее понять: справится ли природа со стрессом самостоятельно или земле требуется экстренная помощь экологов. До сих пор ответить на этот вопрос было непросто. Традиционные химические анализы длятся неделями, стоят дорого и далеко не всегда точно показывают, насколько активно почва борется с загрязнением. Решить эту проблему смогли исследователи из Пермского Политеха. Они разработали уникальную методику, которая позволяет быстро оценить работу естественных «чистильщиков» земли — местных почвенных микробов и ферментов. При этом ученым не нужно искусственно стимулировать микрофлору. Новая технология позволит контролировать состояние загрязненных участков и принимать верные решения о начале восстановительных работ всего за несколько дней вместо привычных недель.
Каждый год в окружающую среду попадает от 5 до 10 миллионов тонн углеводородов. Пропитывая землю, нефть буквально запечатывает её структуру: перекрывает доступ кислорода и влаги, уничтожает плодородие, губит местную флору и полезную микрофлору. Самая большая опасность заключается в том, что токсичные вещества полностью ломают естественные биологические ритмы грунта, из-за чего последствия катастрофы могут сохраняться десятилетиями.
В наши дни масштаб экологического бедствия привыкли оценивать старыми химическими методами. Чтобы провести такой анализ, лаборантам требуются едкие растворители, дорогостоящие приборы и масса времени на подготовку образцов. Это превращает диагностику в медленный и финансово затратный процесс, который физически невозможно масштабировать на огромные территории разливов. Ситуацию усложняет и то, что в пробы часто приходится добавлять искусственные химические стимуляторы, ускоряющие распад нефти. В итоге реальная картина искажается: ученые видят лишь сухие цифры общего содержания нефтепродуктов, но не могут понять, очищается ли земля сама или за счет внесенных реагентов.
Специалисты из Пермского Политеха предложили принципиально иной путь — заглянуть внутрь живой экосистемы почвы. Вместо того чтобы просто измерять остатки застывшей нефти, они начали оценивать самочувствие подземных микроорганизмов. Для этого ученые выделили два ключевых индикатора: они измеряют активность особого фермента каталазы и подсчитывают точное соотношение обычных почвенных бактерий к тем уникальным микробам, которые умеют естественным образом перерабатывать и окислять углеводороды.
— Каталаза — это фермент, который вырабатывают почвенные микроорганизмы. Она участвует в защитных реакциях клетки и чувствительно реагирует на загрязнение нефтепродуктами. Одновременно меняется и состав микрофлоры: часть обычных сапрофитных (то есть питающихся мёртвой органикой и поддерживающих плодородие почвы) микроорганизмов сокращается, а бактерии, способные перерабатывать углеводороды нефти, наоборот, начинают активно развиваться. Анализируя эти изменения вместе, можно оценить стадию биодеградации загрязнения, — то есть естественного разложения нефти микробами до безопасных веществ (воды, углекислого газа и биомассы), —объясняет Юдина Дарья, аспирант кафедры охраны окружающей среды ПНИПУ.
Сам процесс тестирования по новой методике выглядит довольно просто. Экспертам необходимо взять пробы грунта с пострадавшего участка и сравнить их с образцами чистой, неповрежденной земли неподалеку. В лаборатории специалисты проводят микробиологический посев, помещая бактерии в специальную питательную среду, чтобы подсчитать их точную численность и изучить видовой состав. Параллельно они измеряют поведение фермента каталазы. Делается это с помощью обычной перекиси водорода, которую фермент активно расщепляет на воду и кислород. Логика здесь прямая: чем стремительнее идет эта химическая реакция, тем выше активность фермента, а значит, почва борется и полным ходом очищает сама себя. Сопоставляя эти данные, ученые могут безошибочно определить, на каком именно этапе восстановления находится пострадавшая экосистема.
В ходе серии лабораторных экспериментов исследователи из Пермского Политеха детально проследили, как ведут себя эти подземные индикаторы при самых разных масштабах катастрофы — от легких разливов до критического загрязнения, и на разных отрезках времени (от первых суток до двух лет). Выяснилось, что в самые первые дни после аварии активность каталазы может резко подскочить: микрофлора испытывает сильный стресс и включает защитные механизмы. Однако если нефть воздействует на землю слишком долго, фермент начинает сдавать позиции, и его активность постепенно угасает.
Вместе с этим кардинально меняются и пропорции в мире микробов. Сначала в грунте лавинообразно увеличивается популяция специфических бактерий, которые питаются нефтепродуктами. Затем, когда запасы токсичного «корма» истощаются и процессы распада замедляются, биологические показатели земли плавно возвращаются к своей естественной норме чистых почв. К примеру, эксперименты показали, что даже при относительно небольшом загрязнении, когда на один килограмм грунта приходится всего 5 граммов нефти, активность каталазы падает на 40–60%, зато численность уникальных нефтеокисляющих бактерий мгновенно возрастает в 5–10 раз.
— Наш способ позволяет оценивать именно естественные процессы биодеградации без внесения специальных стимуляторов или искусственно добавленных микроорганизмов. Это повышает достоверность результатов и помогает понять, насколько эффективно почва восстанавливается самостоятельно, — поясняет Сакаева Эльвира, доцент кафедры охраны окружающей среды ПНИПУ, кандидат технических наук.
Новая технология найдет применение при экологическом контроле территорий, пострадавших от техногенных аварий, а также поможет оценивать качество восстановления поврежденных земель. Главный плюс метода заключается в том, что он полностью обходится без дорогостоящих и сложных лабораторных приборов. Это позволяет экологам на местах мгновенно получать точные сведения о здоровье грунта и реальном поведении подземных микроорганизмов.
Благодаря пермской разработке специалисты могут всего за несколько дней вынести вердикт: требует ли земля масштабной принудительной очистки или природа уже успешно ликвидирует последствия разлива своими силами. Поскольку в процессе тестирования не применяются искусственные химические допинги, метод гарантирует абсолютно честную и объективную картину естественного возрождения почвы.
Разработка учёных запатентована.
Источник: пресс-служба ПНИПУ.