Как грибы «едят» нефть: Может ли природа сама очистить загрязненную почву?

Нефтяное загрязнение принято связывать с тяжелой техникой, сбором разливов, химическими реагентами и долгими восстановительными работами. Но существует и другой подход — заставить работать саму природу. Некоторые грибы способны разрушать сложные углеводороды, из которых состоит нефть, превращая опасные загрязнители в более простые соединения. Этот метод получил название микоремедиации.

Речь не идет о том, что грибы буквально поглощают нефть как пищу. Их мицелий — разветвленная сеть тонких нитей — выделяет наружу ферменты, способные разрушать молекулы, которые для большинства организмов крайне устойчивы. Именно эта способность и превращает грибы в потенциальный инструмент для восстановления загрязненных почв и водоемов.

Почему грибы способны разрушать нефтепродукты

Особенно интересны для ученых так называемые грибы белой гнили. В природе они выполняют важнейшую работу: разлагают древесину. Для этого им приходится разрушать лигнин — один из самых устойчивых компонентов растительных тканей.

Проблема в том, что химическая структура лигнина во многом напоминает структуру некоторых стойких нефтяных загрязнителей. Поэтому ферментативная система, сформировавшаяся у грибов для разложения древесины, оказалась способна воздействовать и на целый ряд углеводородов. Гриб выделяет во внешнюю среду такие ферменты, как лакказы, лигнин-пероксидазы и марганец-пероксидазы. Они запускают цепочку окислительных реакций, в ходе которых сложные органические молекулы постепенно распадаются на более простые.

Особенно важны в этом отношении полициклические ароматические углеводороды, или ПАУ. Они образуются в составе нефти и нефтепродуктов и отличаются высокой устойчивостью в окружающей среде. Некоторые из них токсичны, а отдельные соединения обладают канцерогенными свойствами.

Что происходит с нефтью после появления грибов

Первым делом мицелий начинает распространяться по загрязненному субстрату. Огромная сеть гиф позволяет грибам проникать в почву значительно глубже, чем можно было бы добиться простым внесением биологического препарата. Одновременно гриб выделяет различные соединения, которые помогают сделать гидрофобные нефтяные углеводороды более доступными для последующего разрушения. Это важно потому, что нефть плохо смешивается с водой и поэтому не всегда доступна микроорганизмам.

Затем начинается ферментативная атака. Пероксидазы и лакказы окисляют сложные молекулы, разрывая их структуру. Например, ПАУ могут сначала превращаться в промежуточные, более реакционноспособные соединения, после чего процесс разложения продолжается. С алканами и циклоалканами происходят похожие превращения: длинные углеводородные цепи последовательно окисляются, образуя спирты, альдегиды и карбоновые кислоты. Но здесь есть важная оговорка: гриб не обязательно самостоятельно доводит нефть до углекислого газа и воды. На практике гораздо чаще речь идет о совместной работе целого микробного сообщества.

Грибы и бактерии работают как команда

После того как гриб разрушает крупные и устойчивые молекулы, получившиеся соединения становятся гораздо более удобной пищей для бактерий. В загрязненной почве могут работать бактерии родов Pseudomonas, Rhodococcus, Alcanivorax и других. Они продолжают расщепление промежуточных продуктов, которые образовались после работы грибных ферментов.

Получается своеобразная биологическая цепочка: гриб делает сложный загрязнитель доступным, а бактерии продолжают его переработку. Поэтому в реальных системах перспективнее может оказаться не использование одного конкретного организма, а создание микробного сообщества, в котором разные виды дополняют друг друга. В конечном результате часть органических соединений может быть минерализована до углекислого газа и воды, а часть углерода используется самими микроорганизмами для роста.

Какие грибы для этого используют

Одним из наиболее изученных кандидатов остается вешенка (Pleurotus ostreatus). Она хорошо растет на соломе, опилках и других растительных материалах и обладает развитой системой ферментов, характерной для грибов белой гнили. Исследователи также изучают представителей родов Trametes, Ganoderma, Coriolopsis и Polyporus. Кроме того, в загрязненных нефтью почвах находят различные виды Aspergillus, Penicillium, Trichoderma и других плесневых грибов, способных участвовать в разложении углеводородов.

Особый интерес представляют штаммы, которые сами были обнаружены в районах нефтяного загрязнения. Такие организмы уже адаптированы к токсичной среде и потенциально могут оказаться эффективнее видов, выращенных в совершенно других условиях.

Как технологию используют на практике

Один из наиболее простых вариантов — использовать отработанный грибной субстрат, который остается после промышленного выращивания съедобных грибов. В нем уже присутствуют мицелий и продукты его жизнедеятельности. Такой материал можно смешивать с загрязненной почвой, поддерживая необходимую влажность и доступ кислорода. По сути, создается среда, в которой грибной мицелий получает возможность распространяться по загрязненному субстрату и постепенно воздействовать на углеводороды.

Другой вариант — биоаугментация, когда в загрязненную почву специально вносят выбранные грибные штаммы. Одновременно специалисты могут корректировать условия среды: добавлять источники азота и фосфора, органические материалы или биоуголь, чтобы стимулировать работу микробного сообщества. Для нефтяных загрязнений в воде и прибрежных зонах также рассматриваются конструкции на основе мицелия. Например, исследуются биодеградируемые материалы, которые способны одновременно удерживать часть загрязнения и создавать условия для его последующего биологического разрушения.

Насколько хорошо это работает

В лабораторных экспериментах результаты могут выглядеть впечатляюще: в зависимости от вида грибов, состава загрязнения и условий эксперимента снижение концентрации общих нефтяных углеводородов иногда достигает 60–90%. Для отдельных штаммов и конкретных соединений показатели могут быть еще выше. В некоторых исследованиях сообщалось о разрушении значительной части отдельных ПАУ — вплоть до 85–99% при определенных условиях.

Однако переносить такие цифры непосредственно на реальные нефтяные разливы нельзя. Лабораторный эксперимент и загрязненная территория — совершенно разные системы. В пробирке или контролируемом микрокосме можно поддерживать нужную температуру, влажность, кислотность и концентрацию питательных веществ. В природе все эти параметры постоянно меняются.

Почему грибы пока не стали универсальным средством очистки

Главная проблема микоремедиации — не доказать, что гриб способен разрушать углеводород, а добиться того, чтобы он эффективно делал это в реальной окружающей среде.

В сильно загрязненной почве концентрация токсичных веществ может оказаться слишком высокой даже для устойчивого грибного штамма. В других случаях внесенный организм сталкивается с местной микробиотой и просто не получает возможности нормально распространиться.

Имеют значение температура, влажность, содержание кислорода, кислотность почвы и соотношение углерода, азота и фосфора. Изменение хотя бы одного из этих факторов способно существенно повлиять на скорость процесса.

Есть и еще одна проблема: исчезновение самого нефтяного загрязнителя еще не означает, что территория полностью безопасна. При разложении сложных углеводородов могут образовываться промежуточные соединения, поэтому необходимо контролировать не только количество оставшихся нефтепродуктов, но и состав образующихся веществ.

Не замена, а дополнительный инструмент

Поэтому микоремедиацию пока разумнее рассматривать не как замену всем существующим методам очистки, а как часть комплексной технологии.

Механические методы позволяют быстро удалить основную массу разлившейся нефти. После этого биологические методы могут использоваться для дальнейшей очистки почвы или территории от остатков загрязнения, которые трудно собрать физически.

Особенно перспективным такой подход может быть там, где применение тяжелой техники дорого или технически сложно. Кроме того, для выращивания грибов можно использовать сельскохозяйственные отходы, солому, опилки и уже отработанные грибные субстраты.