Инновации 29 Мая 2020

Микробы для арктической чистоты

До сих пор Арктику только загрязняли. Теперь стоит очистить ее. Эту задачу решают биологи с помощью микробов
Микробы для арктической чистоты
Руководитель группы микробной биотехнологии кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Андрей Шестаков
Фотография предоставлена А. Шестаковым

Руководитель группы микробной биотехнологии кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Андрей Шестаков утверждает, что ответ практически на все вопросы, возникающие при решении тех или иных задач, могут дать… микробы. Всегда найдутся микроорганизмы для создания или, напротив, разрушения чего-либо — например, способные перерабатывать углеводороды. Андрей рассказал нам о проекте «Психрофилы», которым он руководит. Цель проекта — создание уникального микробного препарата для утилизации нефтяных загрязнений северных морей в Арктическом регионе. Реализуют его компания «Роснефть» и негосударственный институт развития «Иннопрактика».

 

— Почему для разработки инструментов по утилизации нефтяных загрязнений ученые решили использовать микробы?

— Известно, что углеводороды, еще задолго до начала использования их человеком, служили источником питания для микробов. Дело в том, что постоянно испытывающие голод микроорганизмы все то, с чем они сталкиваются, рассматривают как пищу. Так что появление в природе микроорганизмов, для которых углеводороды служат источником углерода и энергии, считается абсолютно естественным. С началом эры микробиологии такие микроорганизмы были открыты очень быстро. Примерно в середине двадцатого века ученые задумались над возможностью их использования для борьбы с загрязнением среды. Чтобы определиться с выбором подходящих для этой цели микроорганизмов, нужно было найти и исследовать место, пребывающее в течение максимально длительного времени в состоянии углеводородного загрязнения. В таких местах довольно быстро появляются микробы, специфично настроенные на поедание углеводородов. Выделив из числа обнаруженных микробов те, которые лучше всего справляются с загрязнением, их наращивают в большом объеме в биотехнологических реакторах и далее сохраняют в высушенном или каком-либо другом виде. Применяя эти микроорганизмы, человек многократно — порой в сотни раз — ускоряет и без того возникающий в этом месте естественный процесс.

РИС1.png
Мария Владимирова

— Когда стартовал проект и какие задачи стояли перед его командой?

— Проект стартовал в 2014 году в рамках сотрудничества ООО «Арктический научный центр», входящего в состав корпоративного научно-проектного комплекса НК «Роснефть», и негосударственного института развития «Иннопрактика» на базе биологического факультета МГУ.

Перед проектной командой стояла задача разработать микробный препарат для утилизации углеводородных загрязнений применительно к Арктическому региону. При этом необходимо учитывать один очень важный аспект: в Арктическом регионе естественная утилизация углеводородных загрязнений, как и все остальные природные процессы, из-за низкой температуры протекает катастрофически медленно даже по сравнению со средней полосой, не говоря уже о приэкваториальных территориях. Так, в Персидском заливе по окончании военных действий этот процесс вопреки самым пессимистичным прогнозам протекал очень быстро. В Арктике же все происходит крайне медленно. Вот почему, приступая к технологическому развитию этого региона, так важно иметь на вооружении инструменты утилизации загрязнений, которые с той или иной долей неизбежности будут там возникать.

— Получается, что особый характер вашего проекта обусловлен особенностями региона… Расскажите, пожалуйста, более подробно о том, что отличает ваши разработки.

— На фоне всего, что сейчас делается в мире в части разработки микробных препаратов для утилизации нефтяных загрязнений, наш проект имеет принципиальные отличия. Прежде всего это температурная специфика работы микроорганизмов, о которой я уже говорил. Все созданные ранее препараты были рассчитаны на работу при положительной температуре. Наш же препарат работает в диапазоне низких, в том числе отрицательных показателей — до минус трех с половиной или даже минус четырех градусов Цельсия. В таких условиях наши микроорганизмы способны выживать, размножаться, делиться и утилизировать углеводородные загрязнения.

magnifier.png Постоянно испытывающие голод микроорганизмы все то, с чем они сталкиваются, рассматривают как пищу. Так что появление в природе микроорганизмов, для которых углеводороды служат источником углерода и энергии, считается абсолютно естественным

Нам часто говорят: как же так, ведь в Арктике лед, все должно замерзнуть! Действительно, все живое может развиваться только в воде, находящейся в жидком состоянии, а когда она замерзает и превращается в твердое тело, все живые процессы останавливаются. Но температура замерзания морской воды в зависимости от ее солености может опускаться ниже -1,8 градуса Цельсия. Мы же поставили задачу еще больше снизить температурный минимум работоспособности микробов, поскольку имеем дело с морским льдом. Его структура состоит из кристаллов пресного льда, между которыми в капиллярах находится концентрированный рассол. Концентрация соли здесь гораздо выше, чем в морской воде, вследствие чего вода остается в жидком состоянии, и это позволяет находящимся внутри микроорганизмам пребывать в активном состоянии при температуре до минус четырех градусов и даже ниже.

Проводя эксперименты на Белом море, мы вырезали куски морского льда и наблюдали за тем, как буквально через несколько секунд после этого из него сливался концентрированный рассол и лед становился похож на спрессованный снег. Для работы в условиях такого льда мы подбирали микроорганизмы, способные утилизировать углеводороды зимой не только в морской воде при минус двух градусах, но и в нижних кромках льда при температуре около минус четырех градусов. При этом такие микроорганизмы должны быть устойчивы не только к отрицательной температуре, но и к очень высокому показателю солености.

РИС2.png
Мария Владимирова

— Неужели раньше в мире не было подобных разработок?

— К этой работе мы подошли прежде всего как к бизнес-проекту, предварительно проанализировав все существующие разработки. Исследование имеющихся на рынке препаратов показало, что форма, в которой они созданы: сухой порошок либо жидкость, которые нужно разводить в воде, — неудобна для практического использования. Создание препаратов в такой форме разумно с точки зрения микробиологии, но неприменимо с практической стороны. Фактически при использовании существующих препаратов нарушался протокол их применения. К тому же ими невозможно пользоваться в условиях моря.

Микробные препараты в виде порошка или концентрированной жидкости удобны для борьбы с локальным загрязнением на болоте или на суше, но не в море. Высокая мобильность углеводородного пятна на морской поверхности не позволяет внести препарат непосредственно в зону загрязнения. Поэтому мы предложили достаточно простую технологическую форму препарата, которая представляет собой шарообразную гранулу диаметром примерно 0,75–2 миллиметра. В центре этого шарика в сухом состоянии находятся микроорганизмы и питательные вещества — стартовый коктейль, который должен помочь микроорганизмам развиваться в море. Они, конечно, поедают углеводороды, но для ускоренного размножения им нужны и другие источники питания. Именно такой стартовый источник питания мы и заложили в гранулу, причем все это находится там в сухом состоянии. Саму гранулу мы покрыли веществом, которое не смачивается водой, и подобрали для ее оболочки такую плотность, при которой гранула может плавать в воде. Гидрофобная оболочка, как упаковка для консервов длительного хранения, не позволяет воде проникать внутрь, соответственно, микробы не просыпаются и продолжают пребывать в анабиотическом состоянии.

magnifier.png В Арктическом регионе естественная утилизация углеводородных загрязнений, как и все остальные природные процессы, из-за низкой температуры протекает катастрофически медленно даже по сравнению со средней полосой, не говоря уже о приэкваториальных территориях

Главная особенность разработанной нами оболочки заключается в способности растворяться при контакте с углеводородами и нефтью. Гранулы будут плавать в море до тех пор, пока не настигнут нефтяное пятно на поверхности воды или на загрязненной береговой линии, у борта платформы или судна. Причем мы добивались того, чтобы гидродинамика такой гранулы была предельна схожа с гидродинамикой нефти в водной среде. Дело в том, что пятно, образовавшееся на воде в результате разлива с судна некоторого количества загрязняющего вещества или, например при заправке, может быть отнесено ветром или течением в сторону от первоначального места. Наши гранулы нужно высыпать в воду в месте загрязнения, а дальше они уже сами начнут двигаться вслед за пятном и обязательно догонят его в море или на берегу.

Таковы два ключевых аспекта нашей разработки — учет температурной специфики и выбор технологической формы препарата. Сейчас процесс создания препарата на основе психрофильных бактерий находится на завершающей стадии.

РИС3.png
Мария Владимирова

— Ваши исследования проводятся непосредственно в Арктике?

— Я уже говорил, что для подбора подходящих микроорганизмов нужно найти место, где максимально долго присутствует углеводородное загрязнение. Поэтому лабораторным исследованиям у нас предшествовала очень большая экспедиционная работа в северном регионе, где мы находили различные места углеводородных загрязнений. Известно, что в советское время для располагавшихся там метео- и военных станций дизельное топливо, мазут, бензин и другие ГСМ привозили в бочках, которые после использования топлива складировались в этих местах в огромном количестве. Горючее часто проливалось, в частности в регионах с вечной мерзлотой, и так продолжалось в течение многих лет. Этот момент важно отметить, поскольку из-за замедления скорости эволюции микроорганизмов при низких температурных показателях естественные микробные процессы утилизации углеводородных загрязнений в Арктике, как я уже отмечал, проходят очень медленно. Мы отбирали в этих местах образцы микробов, доставляли их в лабораторию и проводили тщательный отбор наиболее эффективных из них. Чтобы был понятен масштаб проделанной работы, скажу, что из 400–500 выделенных нами микроорганизмов заявленным требованиям соответствовало менее пяти процентов.

magnifier.png Они, конечно, поедают углеводороды, но для ускоренного размножения им нужны и другие источники питания. Именно такой стартовый источник питания мы и заложили в гранулу, причем все это находится там в сухом состоянии

Затем перед нами встала задача масштабирования процесса культивирования таких микроорганизмов. Это тоже очень важный этап отработки микробной биотехнологии. В промышленности микроорганизмы культивируют в огромных емкостях — ферментерах, в то время как в лабораторных условиях объем ферментеров составляет всего лишь около пяти литров. Для того или иного микроорганизма переход от пятилитрового ферментера к десятикубовому может оказаться летальным. В лаборатории этот процесс протекает без проблем, а при масштабировании он оказывается неосуществимым либо крайне неэффективным в экономическом отношении. Могу сказать, что пока мы успешно проходим стадию масштабирования.

Еще один важный технологический момент — безопасность полученных продуктов для человека. Несмотря на то что мы фактически возвращаем в природу тот же самый микроб, который был отобран в ходе экспедиций, все равно очень важно проверить его безопасность. Именно поэтому сейчас оценивается безопасность ряда штаммов. В настоящее время мы подготовим технологический регламент для производства необходимых микроорганизмов, после чего сможем приступить непосредственно к выпуску препаратов для утилизации загрязнений.

— Закономерно возникает вопрос, во что отобранные вами микроорганизмы преобразуют загрязняющие среду отходы.

— Съедая углеводородные загрязнения, микроорганизмы конвертируют их в собственную биомассу, небольшое количество CO2 и воду. Эта микробная биомасса уже не содержит никаких следов углеводородных загрязнений и становится самой богатой питательной средой, какая только может быть. По мере того как микробы поедают нефть и наращивают собственную биомассу, их поедают другие участники пищевой (трофической) цепи — простейшие, например, амебы, инфузории, а их самих поедают беспозвоночные размером побольше и так далее.

magnifier.png Съедая углеводородные загрязнения, микроорганизмы конвертируют их в собственную биомассу, небольшое количество CO2 и воду. Эта микробная биомасса уже не содержит никаких следов углеводородных загрязнений и становится самой богатой питательной средой, какая только может быть

На основе способности микроорганизмов конвертировать углеводороды в собственную биомассу в советское время разрабатывался большой проект. На парафинах нефти выращивали микроорганизмы для дальнейшего использования в кормах для животных. Такая пищевая добавка называлась «Паприн». Некоторые страны до сих пор предпринимают попытки реализовать этот проект с целью получения кормового микробного белка. Это подтверждает надежность подхода с тщательной проверкой безопасности использования микробов.

РИС4.png
Мария Владимирова

— Вы проводите свои исследования в Арктике. У вас там есть какая-то база?

— У биофака МГУ есть своя биостанция на Белом море. Мы, микробиологи, каждый год возим туда на практику своих студентов. Это место уникально тем, что является территорией однолетнего льда. В отличие от южной части Баренцева моря, где замерзания не происходит из-за теплого Гольфстрима, тут морская вода зимой замерзает. Здесь мы и проводим свои промежуточные эксперименты. 

magnifier.png Для нас очень важен как можно более ранний переход от лабораторных испытаний к полевым, потому что в колбе в лаборатории микроб замечательно растет, съедает всю нефть, все здорово, но в море обитают другие микроорганизмы, и иные участники пищевой цепи могут не позволять ему развиваться

Для нас очень важен как можно более ранний переход от лабораторных испытаний к полевым, потому что в колбе в лаборатории микроб замечательно растет, съедает всю нефть, все здорово, но в море обитают другие микроорганизмы, и иные участники пищевой цепи могут не позволять ему развиваться. В связи с этим мы стараемся все промоделировать в полевых условиях на самых ранних этапах, в этом нам очень помогает беломорская биостанция. Сейчас при поддержке компании «Роснефть» там как раз идет модернизация нашего корпуса, где монтируется сложная аквариальная система, которая обеспечит непрерывный проток морской воды круглый год. Это позволит нам в автономных условиях, максимально имитирующих море, тестировать все микроорганизмы, то есть станет нашим испытательным полигоном, в частности для проведения ледовых экспериментов.

— Как будет реализовываться ваша разработка?

— Технология, о которой я рассказал, разрабатывается для компании «Роснефть», соответственно, она является ее владельцем. Все патенты, а их более 38, принадлежат «Роснефти». По завершении работ будет готова необходимая технологическая и разрешительная документация, которая позволит сразу же начать выпуск разработанного нами препарата на основе психрофильных бактерий.

Темы: Инновации

Еще по теме:
30.06.2020
Компания — разработчик одного из самых раскрученных микромобильных средств передвижения окончательно прекращает их выпус...
26.06.2020
«Роскосмос» принял решение начать разработку новой многоразовой ракеты «Амур-СПГ», двигатели которой работают на метане....
22.06.2020
В России начались испытания отечественных инновационных препаратов для сельского хозяйства в рамках проекта «Иннагро». И...
08.06.2020
11 июня начнутся поставки в российские больницы отечественного препарата «Авифавир». Это первый зарегистрированный в Рос...
Наверх