КАК ВОДОРОСЛИ ПОМОГАЮТ ОЧИСТИТЬ ЧЕРНОЕ МОРЕ ОТ НЕФТИ
Ученые проекта «Морские экофермы» подвели результаты эксперимента, проведенном в рамках изучения последствий катастрофы в Керченском проливе в декабре 2024 года.
Содержание:
⠀⠀Актуальность проблемы
⠀⠀Исследование черноморской цистозиры
⠀⠀Результаты исследования
⠀⠀Механизмы взаимодействия водорослей с нефтепродуктами
⠀⠀Практическое значение результатов
⠀⠀Заключение
⠀⠀Понятия и термины
⠀⠀Научная группа эксперимента
Содержание:
⠀⠀Актуальность проблемы
⠀⠀Исследование черноморской цистозиры
⠀⠀Результаты исследования
⠀⠀Механизмы взаимодействия водорослей с нефтепродуктами
⠀⠀Практическое значение результатов
⠀⠀Заключение
⠀⠀Понятия и термины
⠀⠀Научная группа эксперимента
Актуальность проблемы
Катастрофа в Черном море в декабре 2024 года, когда в результате шторма потерпели аварию танкеры «Волгонефть-212» и «Волгонефть-239», стала очередным напоминанием о том, насколько уязвимы морские экосистемы перед нефтяным загрязнением.
По данным Oil Tanker Spill Statistics в 2024 году во всем мире было зарегистрировано шесть крупных разливов (>700 тонн) и четыре средних разлива (7−700 тонн) в результате инцидентов с танкерами. Крупные разливы в основном были связаны с мазутом и произошли в Южной Америке, Азии и Европе. Общий объем нефти, попавшей в окружающую среду в результате разливов танкеров в 2024 году, составил около 10 000 тонн.
Катастрофа в Черном море в декабре 2024 года, когда в результате шторма потерпели аварию танкеры «Волгонефть-212» и «Волгонефть-239», стала очередным напоминанием о том, насколько уязвимы морские экосистемы перед нефтяным загрязнением.
По данным Oil Tanker Spill Statistics в 2024 году во всем мире было зарегистрировано шесть крупных разливов (>700 тонн) и четыре средних разлива (7−700 тонн) в результате инцидентов с танкерами. Крупные разливы в основном были связаны с мазутом и произошли в Южной Америке, Азии и Европе. Общий объем нефти, попавшей в окружающую среду в результате разливов танкеров в 2024 году, составил около 10 000 тонн.
Масштабы воздействия нефтяного загрязнения на морские экосистемы поражают: всего одна тонна нефти при попадании на водную поверхность образует пленку площадью 12 квадратных километров. Эта пленка блокирует поступление кислорода в воду, нарушает газообмен с атмосферой и создает критические условия для выживания морских организмов.
Естественные механизмы самоочищения
Природа выработала собственные механизмы борьбы с углеводородным загрязнением. В океанах обитают так называемые нефтеокисляющие микроорганизмы, способные разлагать нефтяные углеводороды и превращать их в менее токсичные соединения. Однако интенсивность современного загрязнения часто превышает естественные возможности микроорганизмов.
Важную роль в этих процессах играют морские водоросли. Ученые давно заметили, что водорослевые заросли способны задерживать нефтяные пятна, выступая в качестве природных боновых заграждений, и участвовать в биологической переработке загрязнений.
Естественные механизмы самоочищения
Природа выработала собственные механизмы борьбы с углеводородным загрязнением. В океанах обитают так называемые нефтеокисляющие микроорганизмы, способные разлагать нефтяные углеводороды и превращать их в менее токсичные соединения. Однако интенсивность современного загрязнения часто превышает естественные возможности микроорганизмов.
Важную роль в этих процессах играют морские водоросли. Ученые давно заметили, что водорослевые заросли способны задерживать нефтяные пятна, выступая в качестве природных боновых заграждений, и участвовать в биологической переработке загрязнений.
Исследование черноморской цистозиры
Ученые проекта «Морские экофермы» провели детальное исследование способности бурой водоросли цистозиры (Cystoseira barbata) противостоять нефтяному загрязнению. Цистозира была выбрана неслучайно — это один из массовых видов макрофитов Черного моря, образующий обширные подводные леса в прибрежной зоне.
Для эксперимента использовались реальные образцы мазута М-100, собранные на песчаном берегу близ Анапы после декабрьской катастрофы 2024 года. В биолаборатории исследователи создали экспериментальные условия, максимально приближенные к реальным: морская вода с соленостью 19 промилле, температура 20−26°C, непрерывная аэрация и освещение.
Ученые проекта «Морские экофермы» провели детальное исследование способности бурой водоросли цистозиры (Cystoseira barbata) противостоять нефтяному загрязнению. Цистозира была выбрана неслучайно — это один из массовых видов макрофитов Черного моря, образующий обширные подводные леса в прибрежной зоне.
Для эксперимента использовались реальные образцы мазута М-100, собранные на песчаном берегу близ Анапы после декабрьской катастрофы 2024 года. В биолаборатории исследователи создали экспериментальные условия, максимально приближенные к реальным: морская вода с соленостью 19 промилле, температура 20−26°C, непрерывная аэрация и освещение.
Методика эксперимента
Смесь песка и мазута выдерживали в морской воде в течение недели при температуре 26 °C для получения концентрированного раствора нефтяных фракций. Затем в экспериментальные емкости помещали веточки цистозиры весом от 10 до 19 граммов. Контрольная группа содержалась в чистой морской воде с питательными веществами.
Каждые 10−11 дней исследователи отбирали пробы воды для анализа содержания нефтепродуктов методом газовой хроматографии. По завершении месячного эксперимента анализировали также ткани водорослей и поверхностные загрязнения.
Смесь песка и мазута выдерживали в морской воде в течение недели при температуре 26 °C для получения концентрированного раствора нефтяных фракций. Затем в экспериментальные емкости помещали веточки цистозиры весом от 10 до 19 граммов. Контрольная группа содержалась в чистой морской воде с питательными веществами.
Каждые 10−11 дней исследователи отбирали пробы воды для анализа содержания нефтепродуктов методом газовой хроматографии. По завершении месячного эксперимента анализировали также ткани водорослей и поверхностные загрязнения.
Результаты исследования
Полученные данные оказались весьма впечатляющими. Начальная концентрация растворенных нефтепродуктов в экспериментальной воде составляла 6,5−7,1 мг/л, что превышало предельно допустимые концентрации для морской воды в 130−140 раз. Такие условия можно классифицировать как «острые» токсикологические.
Полученные данные оказались весьма впечатляющими. Начальная концентрация растворенных нефтепродуктов в экспериментальной воде составляла 6,5−7,1 мг/л, что превышало предельно допустимые концентрации для морской воды в 130−140 раз. Такие условия можно классифицировать как «острые» токсикологические.
На протяжении первых 11 суток концентрация нефтепродуктов практически не снижалась, что объяснялось продолжающимся поступлением растворенных фракций из мазута. Однако затем начались заметные изменения. На 21 сутки концентрация снизилась до 2,24 мг/л (снижение на 72% от начальных значений). На 31 сутки — до 0,95 мг/л (снижение на 81%).
Общий объем биоремедиации составил около 52,65 мг нефтепродуктов за весь период эксперимента. Наиболее интенсивно процессы очистки происходили с 11 по 21 сутки.
Общий объем биоремедиации составил около 52,65 мг нефтепродуктов за весь период эксперимента. Наиболее интенсивно процессы очистки происходили с 11 по 21 сутки.
Изменение содержания растворенных нефтяных углеводородов (РНУ) в морской воде в ходе эксперимента
с 13 февраля по 16 марта 2025
Накопление загрязнений в тканях водорослей
Из результатов эксперимента в пересчете на 1 кг сырого веса черноморской цистозиры следует, что содержание нефтеуглеводородов в поверхностном загрязнении водорослей в среднем 11 318 мг/кг сырой массы, содержание нефтеуглеводородов в тканях водорослей мг/кг сырой массы — 898 мг/кг сырой массы, что составляет примерно 8% от количества углеводородов в поверхностном загрязнении.
Таким образом, была показана устойчивость цистозиры к высоким концентрациям мазута М-100, ее способность осаждать на своей поверхности значительные количества токсических веществ, а также накапливать их в тканях.
Из результатов эксперимента в пересчете на 1 кг сырого веса черноморской цистозиры следует, что содержание нефтеуглеводородов в поверхностном загрязнении водорослей в среднем 11 318 мг/кг сырой массы, содержание нефтеуглеводородов в тканях водорослей мг/кг сырой массы — 898 мг/кг сырой массы, что составляет примерно 8% от количества углеводородов в поверхностном загрязнении.
Таблица. Содержание нефтеуглеводородов в поверхностном загрязнении
и тканях водоросли цистозиры в эксперименте
№ образца | Содержание нефтеуглеводородов в поверхностном загрязнении водорослей, мг/кг сыр. массы | Содержание нефтеуглеводородов в тканях водорослей мг/кг сыр. массы |
1 | 22 741 | 1035 |
2 | 2000 | 708 |
3 | 9213 | 951 |
Таким образом, была показана устойчивость цистозиры к высоким концентрациям мазута М-100, ее способность осаждать на своей поверхности значительные количества токсических веществ, а также накапливать их в тканях.
Воздействие на сами водоросли
Высокие концентрации нефтепродуктов оказали заметное влияние на состояние цистозиры. Через 11 суток наблюдалось изменение окраски водорослей — потемнение, вызванное осаждением окрашенных фракций мазута. На 21 сутки начались структурные разрушения в виде фрагментации талломов.
В контрольных условиях (чистая морская вода) водоросли показали прирост биомассы на 14−35%, тогда как в условиях нефтяного загрязнения наблюдалась потеря веса на 12,8−39,1%.
Высокие концентрации нефтепродуктов оказали заметное влияние на состояние цистозиры. Через 11 суток наблюдалось изменение окраски водорослей — потемнение, вызванное осаждением окрашенных фракций мазута. На 21 сутки начались структурные разрушения в виде фрагментации талломов.
В контрольных условиях (чистая морская вода) водоросли показали прирост биомассы на 14−35%, тогда как в условиях нефтяного загрязнения наблюдалась потеря веса на 12,8−39,1%.
Механизмы взаимодействия водорослей с нефтепродуктами
Физико-химические процессы
Поверхность клеток водорослей состоит из различных функциональных групп — карбоксильные и сульфатные группы, а также белки, липиды и полисахариды. Эти компоненты способны взаимодействовать с гидрофобными молекулами нефтяных углеводородов, обеспечивая их адсорбцию.
В состав бурых водорослей входит альгинат, который обладает хорошей биосорбционной способностью.
Углеводы составляют около 16% биомассы бурых водорослей, что способствует эффективному связыванию загрязнений.
Физико-химические процессы
Поверхность клеток водорослей состоит из различных функциональных групп — карбоксильные и сульфатные группы, а также белки, липиды и полисахариды. Эти компоненты способны взаимодействовать с гидрофобными молекулами нефтяных углеводородов, обеспечивая их адсорбцию.
В состав бурых водорослей входит альгинат, который обладает хорошей биосорбционной способностью.
Углеводы составляют около 16% биомассы бурых водорослей, что способствует эффективному связыванию загрязнений.
Биологические механизмы
Ключевую роль в переработке нефтепродуктов играет симбиоз «водоросли — нефтеокисляющие бактерии». Развитая поверхность водорослей служит субстратом для поселения специализированных микроорганизмов, которые окисляют углеводороды и превращают их в доступные для водорослей формы.
Водоросли, в свою очередь, обеспечивают бактерии кислородом в процессе фотосинтеза, повышая их окислительную активность. Некоторые исследования показывают, что такой симбиоз обладает более высоким потенциалом деструкции нефтяных углеводородов.
Ключевую роль в переработке нефтепродуктов играет симбиоз «водоросли — нефтеокисляющие бактерии». Развитая поверхность водорослей служит субстратом для поселения специализированных микроорганизмов, которые окисляют углеводороды и превращают их в доступные для водорослей формы.
Водоросли, в свою очередь, обеспечивают бактерии кислородом в процессе фотосинтеза, повышая их окислительную активность. Некоторые исследования показывают, что такой симбиоз обладает более высоким потенциалом деструкции нефтяных углеводородов.
Метаболическая интеграция
Удивительно, но водоросли способны включать некоторые нефтяные углеводороды в собственный метаболизм. Это объясняет тот факт, что невысокие концентрации нефтепродуктов могут даже стимулировать рост некоторых видов водорослей. Определенную роль играют содержащиеся в нефтепродуктах металлы (железо, марганец, никель), выполняющие функцию микроэлементов.
Сравнение с международными данными
Полученные результаты хорошо согласуются с международными исследованиями эффективности морских водорослей в биоремедиации. Удельная скорость биоремедиации черноморской цистозиры в условиях данного токсикологического эксперимента составила 93,6−141,94 мкг/г/сутки, что сопоставимо со значениями для северных видов бурых водорослей Баренцева моря (44,0−202,0 мкг/г/сутки).
Для сравнения, бурая водоросль Macrocystis pyrifera у берегов Мексики способна извлекать из морской воды до 112 000 мкг бензина на грамм сухой массы, а Saccharina latissima в северных морях накапливает до 10 740 мкг нефтепродуктов на грамм.
Удивительно, но водоросли способны включать некоторые нефтяные углеводороды в собственный метаболизм. Это объясняет тот факт, что невысокие концентрации нефтепродуктов могут даже стимулировать рост некоторых видов водорослей. Определенную роль играют содержащиеся в нефтепродуктах металлы (железо, марганец, никель), выполняющие функцию микроэлементов.
Сравнение с международными данными
Полученные результаты хорошо согласуются с международными исследованиями эффективности морских водорослей в биоремедиации. Удельная скорость биоремедиации черноморской цистозиры в условиях данного токсикологического эксперимента составила 93,6−141,94 мкг/г/сутки, что сопоставимо со значениями для северных видов бурых водорослей Баренцева моря (44,0−202,0 мкг/г/сутки).
Для сравнения, бурая водоросль Macrocystis pyrifera у берегов Мексики способна извлекать из морской воды до 112 000 мкг бензина на грамм сухой массы, а Saccharina latissima в северных морях накапливает до 10 740 мкг нефтепродуктов на грамм.
Практическое значение результатов
Естественная биоремедиация
Результаты исследования подтверждают важную роль природных водорослевых сообществ в поддержании экологического баланса прибрежных зон. По расчетам ученых, один квадратный метр водорослевых зарослей способен за 4−5 суток нейтрализовать пленку, образующуюся при разливе 100 мл нефти на этой площади.
Естественная биоремедиация
Результаты исследования подтверждают важную роль природных водорослевых сообществ в поддержании экологического баланса прибрежных зон. По расчетам ученых, один квадратный метр водорослевых зарослей способен за 4−5 суток нейтрализовать пленку, образующуюся при разливе 100 мл нефти на этой площади.
Перспективы технологического применения
Исследование открывает перспективы для создания искусственных биологических систем очистки. Предлагается использовать «боны» из цистозиры для борьбы со свежими нефтяными загрязнениями при аварийных разливах. Такой подход сочетает экологическую безопасность с высокой эффективностью.
Важным преимуществом водорослей как биосорбентов является их доступность и возобновляемость. В отличие от искусственных сорбентов, водоросли не требуют сложной технологической обработки и могут эффективно использоваться даже в высушенном виде.
Исследование открывает перспективы для создания искусственных биологических систем очистки. Предлагается использовать «боны» из цистозиры для борьбы со свежими нефтяными загрязнениями при аварийных разливах. Такой подход сочетает экологическую безопасность с высокой эффективностью.
Важным преимуществом водорослей как биосорбентов является их доступность и возобновляемость. В отличие от искусственных сорбентов, водоросли не требуют сложной технологической обработки и могут эффективно использоваться даже в высушенном виде.
Экосистемное значение
Полученные данные подчеркивают критическую важность сохранения природных водорослевых сообществ. Уничтожение даже части таких сообществ может нарушить естественные механизмы самоочищения морских экосистем и снизить их устойчивость к антропогенным загрязнениям.
Ограничения и перспективы исследований
Несмотря на обнадеживающие результаты, исследование имеет определенные ограничения. Эксперимент проводился в лабораторных условиях с ограниченным объемом воды и контролируемыми параметрами среды. В природных условиях эффективность биоремедиации может изменяться под влиянием течений, волнения, температурных колебаний и других факторов.
Длительное воздействие высоких концентраций нефтепродуктов (более 10−11 суток) приводило к деградации и гибели водорослей, что ограничивает их применение при массивных разливах.
Необходимы дальнейшие исследования для изучения:
Полученные данные подчеркивают критическую важность сохранения природных водорослевых сообществ. Уничтожение даже части таких сообществ может нарушить естественные механизмы самоочищения морских экосистем и снизить их устойчивость к антропогенным загрязнениям.
Ограничения и перспективы исследований
Несмотря на обнадеживающие результаты, исследование имеет определенные ограничения. Эксперимент проводился в лабораторных условиях с ограниченным объемом воды и контролируемыми параметрами среды. В природных условиях эффективность биоремедиации может изменяться под влиянием течений, волнения, температурных колебаний и других факторов.
Длительное воздействие высоких концентраций нефтепродуктов (более 10−11 суток) приводило к деградации и гибели водорослей, что ограничивает их применение при массивных разливах.
Необходимы дальнейшие исследования для изучения:
- Видоспецифичности сорбционных свойств разных водорослей;
- Оптимальных условий функционирования биосанитарных плантаций;
- Долгосрочных последствий накопления нефтепродуктов в морских экосистемах;
- Технологий масштабирования биологических методов очистки;
- Утилизация водорослей, используемых в биосанитарных целях.
Заключение
Исследование ученых проекта «Морские экофермы» впервые детально показало механизмы и эффективность участия черноморской цистозиры в биоремедиации нефтяного загрязнения. Полученные данные подтверждают высокий потенциал морских водорослей как природных биофильтров и открывают перспективы для развития экологически безопасных технологий борьбы с нефтяными разливами.
Результаты работы особенно актуальны в свете недавней экологической катастрофы в Черном море и подчеркивают необходимость комплексного подхода к охране морских экосистем, включающего как предотвращение загрязнений, так и поддержание естественных механизмов самоочищения.
Исследование ученых проекта «Морские экофермы» впервые детально показало механизмы и эффективность участия черноморской цистозиры в биоремедиации нефтяного загрязнения. Полученные данные подтверждают высокий потенциал морских водорослей как природных биофильтров и открывают перспективы для развития экологически безопасных технологий борьбы с нефтяными разливами.
Результаты работы особенно актуальны в свете недавней экологической катастрофы в Черном море и подчеркивают необходимость комплексного подхода к охране морских экосистем, включающего как предотвращение загрязнений, так и поддержание естественных механизмов самоочищения.
Водорослевые сообщества представляют собой не только важный компонент морских экосистем, но и потенциальный инструмент экологической защиты. Их сохранение и изучение должно стать приоритетом современной морской экологии и природоохранной политики.
Понятия и термины
Мазут М-100 — тяжелый нефтепродукт, остаток после перегонки нефти, используется как котельное топливо.
Растворенные нефтяные углеводороды (РНУ) — фракция нефтепродуктов, которая находится в растворенном состоянии в воде.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) — максимальное количество загрязняющего вещества в окружающей среде, которое не оказывает вредного воздействия на живые организмы.
Макрофиты — крупные водные растения и водоросли, видимые невооруженным глазом.
Таллом — тело водоросли, не разделенное на корень, стебель и листья.
Альгинат — полисахарид, содержащийся в клеточных стенках бурых водорослей, обладающий способностью связывать различные вещества.
Нефтеокисляющие микроорганизмы — группа бактерий, способных использовать нефтяные углеводороды в качестве источника энергии и разлагать их.
Биоремедиация — процесс очистки окружающей среды от загрязнений с помощью живых организмов (растений, водорослей, микроорганизмов).
Биосорбция — процесс поглощения и связывания загрязняющих веществ на поверхности или внутри клеток живых организмов.
Газовая хроматография — метод химического анализа, позволяющий разделить и определить компоненты сложной смеси веществ.
Боновые заграждения (боны) — плавучие устройства для локализации и сбора нефтяных пятен на водной поверхности.
Биосанитарные плантации — искусственно выращиваемые посадки водорослей для очистки воды от загрязнений.
Гидрофобные молекулы — молекулы, не растворяющиеся в воде и отталкивающие ее (характерны для нефтяных углеводородов).
Мазут М-100 — тяжелый нефтепродукт, остаток после перегонки нефти, используется как котельное топливо.
Растворенные нефтяные углеводороды (РНУ) — фракция нефтепродуктов, которая находится в растворенном состоянии в воде.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) — максимальное количество загрязняющего вещества в окружающей среде, которое не оказывает вредного воздействия на живые организмы.
Макрофиты — крупные водные растения и водоросли, видимые невооруженным глазом.
Таллом — тело водоросли, не разделенное на корень, стебель и листья.
Альгинат — полисахарид, содержащийся в клеточных стенках бурых водорослей, обладающий способностью связывать различные вещества.
Нефтеокисляющие микроорганизмы — группа бактерий, способных использовать нефтяные углеводороды в качестве источника энергии и разлагать их.
Биоремедиация — процесс очистки окружающей среды от загрязнений с помощью живых организмов (растений, водорослей, микроорганизмов).
Биосорбция — процесс поглощения и связывания загрязняющих веществ на поверхности или внутри клеток живых организмов.
Газовая хроматография — метод химического анализа, позволяющий разделить и определить компоненты сложной смеси веществ.
Боновые заграждения (боны) — плавучие устройства для локализации и сбора нефтяных пятен на водной поверхности.
Биосанитарные плантации — искусственно выращиваемые посадки водорослей для очистки воды от загрязнений.
Гидрофобные молекулы — молекулы, не растворяющиеся в воде и отталкивающие ее (характерны для нефтяных углеводородов).
Научная группа эксперимента
Оксана Вялова — руководитель проекта «Морские экофермы», к.б.н., Федеральный исследовательский центр «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН».
Олег Миронов — к.б.н., Федеральный исследовательский центр «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН».
Владимир Козьменко - альголог, научный консультант проекта «Морские экофермы», Национальный научный центр морской биологии имени А. В. Жирмунского РАН.
Таисия Язрикова — сотрудник Фонда «Зеленая миссия».
Илья Язриков — сотрудник Фонда «Зеленая миссия».
При поддержке компании Greenway Global и Фонда «Зеленая миссия» в рамках изучения последствий катастрофы в Керченском проливе.
Оксана Вялова — руководитель проекта «Морские экофермы», к.б.н., Федеральный исследовательский центр «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН».
Олег Миронов — к.б.н., Федеральный исследовательский центр «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН».
Владимир Козьменко - альголог, научный консультант проекта «Морские экофермы», Национальный научный центр морской биологии имени А. В. Жирмунского РАН.
Таисия Язрикова — сотрудник Фонда «Зеленая миссия».
Илья Язриков — сотрудник Фонда «Зеленая миссия».
При поддержке компании Greenway Global и Фонда «Зеленая миссия» в рамках изучения последствий катастрофы в Керченском проливе.