Биоремедиация - әлемді құтқарар биология
Қазіргі таңда өркениетті мұнай өнімдерісіз елестету мүмкін емес. Өзінің ойлап көріңізші, бір күні күллі әлем мұнай өнімдерінен бас тартса, не болады? Тіпті ойлаудың өзі де қорқынышты. Әрине, балама энергия көзіне жүгінетін мемлекеттерге бір күн еш қауіп төндірмесе де, экономикасы мұнай өндіруге негізделген мемлекеттердің жағдайы нашар болатыны анық. Сонымен қатар, адам баласының күнделікті өмірі мұнайға тәуелді десе де болады.
Статистикаға сенетін болсақ, 2010 жылы әлемдегі күнделікті мұнай қажеттілігі 86,4 миллион баррель болса, 2020 жылы бұл сан 91 миллион баррельді құрады. Дегенмен, 2020 жылғы статистикаға пандемия мен оған қатысты шектеулердің енгізілуінің әсер еткенін ескеруіміз қажет.
Мұнай экспорттаушы елдер ұйымының (МЭЕҰ) айтуы бойынша 2045 жылы күнделікті мұнай қажеттілігі 109 миллион баррельді құрайды. Өзіңіз көріп отырғандай, мұнайға деген сұраныс күннен күнге артып келе жатыр.
Жалпы мұнай дегеніміз не? Мұнай - көптеген көмірсутектерден құралған химиялық қоспа болып табылады. Ол шикі мұнайдан басқа жануар мен өсімдік майларымен қатар, басқа да қосымша қосылыстардан тұрады. Мұнайдың құрамы өте күрделі болғанымен, компоненттерді екі топқа бөліп қарастыруға болады. Олар алкандар мен ароматты көмерсутектер. Алкан - алифатты, қаныққан, тек сигма байланыстардан құралған көмірсутектер. Ароматты көмірсутектер - тұйық электронды жүйені құрайтын, бензол ядросынан тұратын химиялық қосылыстар болып табылады. Полиароматты көмірсутектер (ПАУ) ең улы, қауіпті ароматты көмірсутек болып табылады. Табиғатта ПАУ-дің көптеген түрлері кездеседі, оның ішіндегі 16-сы адам және тірі ағзаларға қауіпті деп танылған.
Мұнайды өндіру және тасымалдау барысында оның төгілуі әбден мүмкін. АҚШ Қоршаған ортаны қорғау жөніндегі агенттігінің мәліметі бойынша, орта есеппен алғанда күніне әртүрлі масштабта 70 шақты мұнайдың төгілуі орын алады.
Халықаралық ластануды алдын-алу танкер иеленушілер одағы (The International Tanker Owners Pollution Federation - ITOPF) танкерлердің зақымдану себебімен мұнайдың теңізге және басқа да су көздеріне төгілуі туралы дерекқор жүргізетін ұйым болып табылады. Ұйымның айтуына сүйенсек, 1970 пен 2016 жылдар аралығында 5,73 миллион тонна мұнай су көздерін ластаған болатын.
2010 - 2019 жылдар аралығында жыл сайын шамамен 1,8 аса үлкен мұнай төгілуі орын алды. Ал 2020 жылғы статистикаға келер болсақ, мамандардың айтуы бойынша 700 метр тонна мұнай төгілген болатын.
Дегенмен, 1980 жылдардан бастап мұнай өндіруге деген қажеттілік пен өндіріс көлемі артқанымен, су көздерінің мұнаймен ластану оқиғаларының саны айтарлықтай төмендеді. Бұл, әрине, мұнай өндірісі мен транспорттау жүйесінің дамуымен тікелей байланысты.
Танкерлердің зақымдануына байланысты туындаған мұнай төгілуінің ең үлкен оқиғасы 1979 жылы Тринидад және Тобаго мемлекетіне жақын жерде орын алған болатын.
Су көздерінің мұнаймен ластануы өзге де себептерден орын алуы мүмкін. Мысалы, 2010 жылғы Deepwater Horizon платформасындағы апат.
2010 жылдың 20 маусымында Мексика шығанағында орналасқан Deepwater Horizon мұнай өндіруші платформасында үлкен жарылыс орын алды. Жарылыстың кесірінен платформа суға кетіп, АҚШ пен күллі әлемдегі ең үлкен мұнайдың төгілуіне алып келді. Сарапшылардың айтуы бойынша, жарылыстың себебінен Мексика шығанағына күн сайын шамамен 60 мың баррель мұнай төгілген болатын. Мұнайдың теңізге жылыстауы 87 күнге созылды.
Осы апаттың нәтижесінде 4,9 миллион баррель мұнай теңізге төгіліп, 1100 миля теңіз жағалауы ластанды. Төгілген мұнайдың жайылу аймағы 35 километр болса, тереңдігі 1100 метрді құрады.
Теңізді мұнайдан тазартудың бастапқы кезеңінде химикаттар мен бақыланбалы өртеу техникалары қолданылды. Содан соң, мұнай ликвидациясында оны су бетінен, теңіз түбінен және жағалаулардан арнайы себеттер мен скиммер-кемелермен механикалық тазалауға көшті. Алайда, механикалық тазалау әдістерін қолданып Мексика шығанағына төгілген мұнайдың тек 800 000 баррельі ғана жиналды. Теңізді мұнай қалдықтарынан тазартудың соңғы кезеңінде бактериялар теңіз ағыны мен жағалау бедеріне байланысты қарастырылып, тазалау жұмыстары жүргізілді.
Мұнайдың су бетіне таралу уақыты оның табиғатқа тигізер қаупін анықтайды. Мұнай су қоймаларынlа көлденең бағытпен таралады, осылайша күн сәулесін өткізбейтін биофильмді құрайды. Судың бетіндегі биофильмнің пайда болуы күн сәулесінің су астына өтуіне кедергі жасап, суды мекен ететін жануарлар мен өсімдіктерге, және жалпы экожүйенің тепе-теңдігіне теріс әсерін тигізеді. Сонымен қатар, мұнайдың жануарлардың денесіне тиуі, олардың ағзасына ауа жолдары арқылы кіруі мен қоректік тізбектің бұзылуы өзекті мәселелерге алып келеді.
Мысалы, Мексика шығанағында орын алған оқиғаның нәтижесінде 102 түрдегі 82 000 құс, әртүрлі жастағы 6 165 тасбақа, 25 900 теңіз сүтқоректілері зардап шеккен еді.
Қазіргі таңда әлем әр түрлі ластану түрлерімен, соның ішінде мұнайдың қоршаған ортаны ластауымен, бетпе-бет келіп жатыр. Осындай “қақтығыста” адам баласына микроағзалардың көрсететін көмегі шексіз.
Биоремедиация деп табиғатта кездесетін микроағзалар арқылы қоршаған ортаға кері әсерін тигізетін заттар мен қоспаларды қауіпсіз заттарға ыдырату үдерісін айтамыз. Биоремедиацияда қолданылатын механизмдер негізінен табиғаттан алынған. Мұнай жер қыртысынан алынатын пайдалы қазба болып табылады. Сонау жылдардан бері жер қыртысында құралып, жиналып жатқан мұнай, теңіз түбіндегі жарықтардан суға таралып, су көздеріндегі бактериялар мұнайды энергия көзі ретінде қолдануды үйренген болатын. Дәлірек айтсақ, эволюцияның арқасында олар мұнайды ыдырата алатын гендерге ие болды. Сондай бір гендердің тобы биосурфактанттарды кодтайды. Биосурфактанттар - табиғи түрде бактериялар және саңырауқұлақтар сияқты микроағзалардан бөлінетін немесе олардың геномымен кодталатын сурфактант болып табылады. Биоремедиация үдерісінде олар мұнайдың су көздеріне төгілу нәтижесінде құралған биофильмді бұзу және мұнайды эмульсификациялау үшін қолданылады.
Белгілі аймақта қолданылуы қажет биоремедиация түрін сол аймаққа тиесілі, табиғи жолмен сол ортада кездесетін микроағзалардың түрімен, олардың популяциясына, және химикалық ластаушыға байланысты таңдайды. Биоремедиация үдерісінде қолданылатын микроағзаларға бактерия, балдырлар мен саңырауқұлақтарды жатқызамыз. Олар ауыр металдарды, токсиндер мен улы заттарды ыдырату, оларды қоршаған ортадан жинау мен уытсыздандыруға жауапты.
Улы заттар қатты, сұйық және бу күйінде кездеседі. Сондықтан, әрбір улы заттан тазарту мақсатында әртүрлі биоремедиация технологиялары мен шарттар қолданылады. Қолданылатын үдерістер мен микроағзаларға байланысты phytoremediation, microbial bioremediation, bioventing, bioleaching, landfarming, bioreactor, composting, bioaugmentation, biostimulation, mycoremediation деп бөлуге болады. Мысалы, фиторемедиация (phytoremediation) - пестицидтер мен мұнай қалдықтарын, металл мен хлорланған ерітінділерді өсімдіктер арлықы тазарту болса, microbial bioremediation - ластаушы заттарды микроағзалардың қорегі ретінде қолданып, олардан арылу болып табылады.
Микроағзаларды қолданатын биоремедиацияның өзін әртүрлі жолмен жүзеге асыруға болады. Олардың бірі сол ортада кездесетін микробтардың (indigenous microorganisms) көбеюіне жағымды жағдай жасауға бағытталады. Қолайлы факторлар керекті микробтардың өсуін қарқындатып қана қоймай, қауіпті заттардың ыдырауын жылдамдатады. Бірақ егер бізге қажетті, бір химикаттың ыдырауына бағытталған микроб ластану орнында табиғи түрде кездеспесе, онда бізге қажетті микроағзаларды (exogenous microorganisms) сол ортаға енгізу қажеттілігі туындайды.
Оған қоса, улы заттардан тазарту мен оларды тасымалдау тәсіліне байланысты биоремедиацияны екі түрге бөлуге болады: in situ және ex situ. In situ - микроағзаларды ластану орында қолдану болса, ex situ - апатты химиялық қауіпті заттарды алдымен бөліп алып, қажетті орынға жеткізіп, апат орнынан тыс жерде өңдеуді айтамыз.
Биоремедиация микроағзалардың табиғи мүмкіндігіне негізделеді. Дегенмен, синтетикалық биологияның дамуымен, қоршаған ортаны ластаушы химикаттардан тазарту мақсатында генетикалық модификацияланған микроағзаларды да қолдануға болады.
Мысалы, Мексика шығанағында орын алған апаттағы 4,1 миллион баррель мұнайды ыдырату мақсатында 100 секстилион (100✕10^36) бактерия қолданылған болатын.
Микробиологтардың зерттеу жұмыстарының арқасында Мексика шығанағына тиісті бактерианың ДНҚ-сында мұнайдың ыдырауына жауапты гендер анықталды. Табылған бактериялар тек мұнайды ғана емес, сонымен қатар мұнай төгілуін қадағалауға арналған дисперсанттарды да ыдырата алатыны анықталды. Техас университетінің ғалымдары анықтағандай, бұл бактериялардың тұрғылықты популяциясы мұнайдың төгілуімен артады. Бұл дегеніміз, берілген бактериялар тобы мұнаймен қоректеніп, оны ыдырата алады. Бұл мұнайды ыдыратушы бактерия апат орында табиғи түрде кездескендіктен, қоршаған ортаға еш кесірін тигізбегендіктен, in situ қолдануға болады.
Бірақ егер сол бактерияның геномынан, мұнайдың ыдырауына жауапты генді бөліп алып, плазмидаға интеграция жасап, өзге бактерияға енгізсек, алынған генетикалық ақпараты модификацияланған микроағзаның сол ортаға көрсететін әсері мен өзге бактериялармен генетикалық материалды алмастыру мүмкіндігі ескерілуі қажет. Осы себепті, көбіне генетикалық модификацияға ұшыраған бактерияларды ex situ жолымен қолданады.
Қоршаған ортаны апатты химикаттардан тазарту мақсатында биоремедиация механизмін қолдану тиімдірек. Мысалы, in situ әдісі улы заттармен ластанған апат орнында қолданғандықтан, ластаушы химикаттарды бір ортадан екінші ортаға көшіру (механикалық тазалау) қажеттілігін тудырмайды. Сонымен қатар, дұрыс жоспарланған биоремедиация процессінің қоршаған ортаға тигізер зияны аз немесе мүлдем болмайды. Осыған қоса, биоремедиация әдісі ластанған су көздерін тазалаудағы қаржылай жағынан тиімді болып табылады.
Алайда, биоремедиацияның да өз шектеулері бар. Мысалы, аталмыш үдерісті тек биологиялық жолмен ыдыратылатын заттарға ғана қолдануға болады. Сонымен қатар, биологиялық ыдырату процессінің орын алуы үшін көбірек уақыт пен күш қажет етіледі. Одан бөлек, зертханалық тәжірибе нәтижелерін шын өмірде жүзеге асыру қиынға соғады. Себебі зертханада құралатын модельдер жеңілдетілген және көптеген факторларды есепке алмайды.
Мұнайдың ыдырауымен қатар, кейбір микроағзалар мұнайдан жасалған пластик секілді өнімдерді ыдыратуға көмектесе алады. Дегенмен де, бұл жаңа талқылауды қажет ететін бөлек тақырып…
Мақала авторы: Айнұр Толымбекова, Назарбаев Университетінің 4 курс студенті, iGEM NU_Kazakhstan 2021 тобының мүшесі
- https://www.statista.com/statistics/271823/daily-global-crude-oil-demand-since-2006/
- https://www.statista.com/statistics/671539/average-number-of-oil-spills-per-decade/
- https://ria.ru/20200422/1570286195.html#:~:text=Photo%20%2F%20Eric%20Gay-,22%20%D0%B0%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BB%D1%8F%202010%20%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D0%B0%20%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BE%2010.30%20%D0%BF%D0%BE%20%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D1%83%20%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B8%20
- https://www.britannica.com/event/Deepwater-Horizon-oil-spill/Cleanup-efforts
- https://www.aftermath.com/content/types-of-bioremediation/
- https://www.onlinebiologynotes.com/bioremediation-concept-types-advantages-and-limitations/
- https://www.laboratuvar.com/kk/tekstil-testleri/kimyasal-ve-ekolojik-testler/poliaromatik-hidrokarbonlarin-pah-tayini
- https://magazine.scienceconnected.org/2016/06/oil-spill-cleanup-secrets-gulf-coast-bacteria/
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359029420300297