Свой гуар для гидроразрыва пласта

Гуаровую камедь вырабатывают из гуара — тропической бобовой культуры, которая любит солнце и мощные, частые, но недолгие ливни.

Родина гуара — северо-запад Индии и смежные области Пакистана. Там ему максимально комфортно, поэтому львиная доля — 80% — промышленного производства гуара приходится именно на Индию, особенно известен плантациями гуара индийский город Джодхпур в штате Раджастхан. Его также выращивают в климатически схожих регионах — в Австралии, Африке и на юге США. Крупнейшим импортером гуара из Индии стали США, закупающие 60% производимого в Индии гуара (это связано с американской сланцевой революцией). Затем с огромным отрывом следуют Китай (7%), Германия (6%), Россия (4%), Италия (3%), на остальные страны мира приходится еще 20% индийского гуара.

Гуар пригоден для употребления в пищу, как и другие бобовые культуры, хотя содержание белка выше в сое. Используют его и как зеленое удобрение, альтернативное минеральным. Это возможно благодаря способности растения накапливать азот. Зеленые удобрения (сидераты) одновременно обогащают почву азотом, крахмалом, белками и сахарами, создавая отличную среду для будущего роста основной культуры, и вдобавок улучшают структуру почвы, скрепляя ее и защищая от размывания и сдувания. Технологически это выглядит так: сначала на поле высаживается гуар, всходит, доходит до цветения, и поле распахивается прямо по посевам. Зеленая масса вмешивается в почву, начинает высвобождать накопленные полезные вещества — и после этого высевается основная культура.

Но все же главное свое предназначение гуар нашел в пищевой и нефтяной промышленности. Из плодов гуара получают гуаровую камедь: их измельчают и полученную массу экстрагируют. В пищевой промышленности гуаровая камедь известна под маркировкой Е412. Это стабилизатор и загуститель. Его добавляют в мороженое, соусы, йогурты для придания аппетитной консистенции, используют при обработке сыров и охлажденного мяса. И если некоторые пищевые добавки семейства Е не очень экологичны, то к Е412 это не относится, так как она натуральна и даже обладает полезными свойствами — уменьшает аппетит и снижает уровень холестерина. В качестве загустителя гуаровую камедь используют в косметической, текстильной, бумажной и нефтяной промышленности.

О механизме применения гуаровой камеди при добыче нефти «Стимулу» рассказала Елена Хлесткина, директор Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова (ВИР):

— Гуаровая камедь дает возможность получить гель, который используют на двух разных этапах — бурение и гидроразрыв пласта. Благодаря создаваемой вязкости жидкость не утекает в бесконечном объеме по микротрещинам в породу. Это первый плюс. Второй плюс состоит в том, что в отличие от воды в вязком растворе твердые частицы не оседают. Эти два свойства важны как при бурении, так и при гидроразрыве. При бурении надо отводить на поверхность перемолотую породу. Именно с вязким раствором можно выкачивать твердые частицы наверх. В противном случае, если бы использовали воду, все твердые частицы оставались бы в скважине. Кроме того, при помощи геля можно проводить гидроразрыв пласта, увеличивая в разы площадь контакта нефтеносного пласта со скважиной, а значит, получать на поверхность нефть в гораздо больших количествах. Важно, чтобы создаваемые гидроразрывом трещины обратно не схлопывались, поэтому в гель добавляют твердые частицы, которые равномерно распределяются в геле не оседая, в отличие от воды.

Потребность России в собственном гуаре

Задачу вырастить гуар в России перед учеными поставили нефтяники в середине второго десятилетия нового века. Причин две. Первая волна санкций из-за возвращения Крыма вызвала к жизни тенденцию к импортозамещению, особенно в чувствительных для формирования федерального бюджета сферах экономики, и нефтяная промышленность — одна из них. Во-вторых, запасы легкоизвлекаемой нефти на исходе, а вот трудноизвлекаемой нефти еще много, поэтому необходимо заранее обеспечить себя всеми компонентами технологии ее добычи.

Но для того, чтобы отечественная гуаровая камедь поступила на рынок, нужно пройти много этапов. «Если смотреть с конца производственной цепочки, то необходимо, чтобы появились заводы по переработке гуара и получению гуаровой камеди в промышленных масштабах, — говорит Елена Хлесткина. — При наличии заводов как заказчиков сырья создадутся рыночные условия для инвестирования в выращивание гуара. Для того чтобы наладить этот процесс, уже есть сорта и технологии семеноводства, по крайней мере для выращивания гуара в Краснодарском крае (Краснодарский край — единственная территория в России. относящаяся к субтропическому климату. — “Стимул”). Однако для масштабирования процесса и дополнительного использования пахотных земель в менее обеспеченных влагой регионах, таких, например, как Республика Крым или Ростовская область, нужны более засухоустойчивые сорта».

Ученые ВИР получили грантовую поддержку Российского научного фонда (РНФ) и развернули работы по «выявлению физиологических и молекулярных маркеров для поиска засухоустойчивых и высокопродуктивных генотипов в генофонде гуара (Cyamopsis tetragonolоba) — исходного материала для селекции отечественных сортов». Грант рассчитан на два года, с 2023-го по 2025-й. «Научные исследования в рамках проекта РНФ как раз необходимы для ускоренной направленной селекции сортов гуара, устойчивых к засухе. Знания, полученные в ходе проекта, будут способствовать скорейшему созданию таких новых сортов», — пояснила Елена Хлесткина.

По ее словам, наиболее критичны для выращивания на территории России такие особенности климата, как сумма температур в сочетании с определенным режимом полива. «Задача не в том, чтобы просто вырастить растения гуара и получить урожай, а в том, чтобы получить сырье — камедь — нужного качества. На качество влияют и генотип сорта, и условия выращивания», — рассказывает Хлесткина. Для России, по ее оценке, это «задача нетривиальная, так как идеальные условия для гуара далеки от российских — это тропики». Тем не менее первые исследования и первые шаги по селекции гуара, адаптированного к южным регионам России, показали, что импортозамещение в получении данного сырья принципиально возможно.

Но если выращивать гуар на поливе, это значительно повысит себестоимость сырья. «Именно поэтому стоит задача изучения генетических механизмов толерантности к засухе для создания сортов, которые можно было бы выращивать в регионах с низкой влагообеспеченностью без полива или с минимальными затратами на полив лишь в период посева», — отметила Елена Хлесткина, назвав среди потенциально подходящих территорий Ростовскую область и Республику Крым. Если выращивать культуру севернее, ей не хватит тепла для вызревания семян и получения камеди нужного качества.

Источники нужных генов

Главная задача ученых — найти источники нужных генов. Для этого используется богатейшая в мире вавиловская коллекция культурных растений и их диких родичей. «Для исследования потребуется широкое разнообразие образцов гуара, в том числе контрастных по разным признакам, — пояснила Елена Хлесткина. — Именно изучая контрастные формы в результате комплексных омиксных (омиксными называют технологии, основанные на достижениях геномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики, то есть наук, которые изучают, как устроен геном и как реализуется закодированная в нем информация. — “Стимул”) сравнений возможно выявить нужные гены, сочетание которых позволит создать новые генотипы, пригодные для получения качественного сырья и хорошего урожая в нетипичных для гуара условиях. Страны — лидеры по промышленному производству гуара — Пакистан и Индия. Вместе с образцами из этих стран будут взяты образцы различного географического происхождения, в том числе из менее теплых и влагообеспеченных регионов».

«Понимание выявленных закономерностей позволит правильно определить необходимое направление отбора, адекватно подобрать молекулярные маркеры для селекции и получить в итоге новые засухоустойчивые сорта гуара, характеризующиеся высокой семенной продуктивностью и сравнительно высоким выходом камеди. Это особенно ценно для интродуцирования в растениеводство Российской Федерации новой сельскохозяйственной культуры стратегического значения», — говорится в тексте грантовой заявки. Вся эта работа позволит «повысить экономическую эффективность аграрного и нефтедобывающего секторов страны».

В грантовой заявке также сказано, что «генеральная цель данного проекта — с помощью современных платформ постгеномных исследований (метаболомики, протеомики, геномики и транскриптомики) выявить зависимость продуктивности гуара, качества и товарной ценности его семян от засухи в контексте эффективности симбиоза с клубеньковыми бактериями и микоризообразующими грибами на фоне метаболических сдвигов, связанных с адаптацией к водному стрессу». Полученные данные позволят понять механизмы поддержания роста и развития растений гуара, качества семян, включая высокий выход и вязкость камеди в условиях дефицита воды, что очень важно для создания засухоустойчивых высокопродуктивных сортов этой новой стратегически важной для РФ культуры.

Общепринятое в настоящий момент представление о засухоустойчивости как способности растения сохранять динамику прироста биомассы при устойчивом снижении водного потенциала среды не учитывает часто имеющее при этом место снижение семенной продуктивности и ухудшение товарного качества семян, отмечается в заявке. В случае гуара это означает не только потерю питательной ценности семян, но и снижение выхода камеди и, возможно, ухудшение ее качества (вязкости). Сравнение различных генотипов, отличающихся по степени выраженности этих негативных изменений в ответ на одну и ту же величину стрессорного воздействия (то есть степени снижения водного потенциала субстрата и тканей растения), позволит понять, какие изменения метаболизма и/или работы регуляторных систем лежат в основе наблюдаемых изменений фенотипа. Выявление изменений в растительно-микробных взаимодействиях, имеющих место под воздействием засухи, позволит сделать важнейший шаг к пониманию механизмов, лежащих в основе подавления клубенькового симбиоза в условиях дефицита влаги.

Анализ вклада микоризации корней растений в развитие устойчивости к засухе позволит разработать рекомендации по применению препаратов на основе арбускулярной микоризы для инокуляции (введение живых микроорганизмов, инфицированного материала, сыворотки и т. п. в ткани растений, животных, в питательные среды) растений гуара в полевых условиях.