Питательные вещества и водная среда

Некоторые микробы выделяют поверхностно-активные вещества биологического происхождения, эмульгирующие углеводороды, которые потом могут проникать сквозь клеточные мембраны. Также могут выделяться ферменты, вступающие в реакцию с гидрокарбонами и биополимерами, при этом превращая их в водорастворимые соединения, которые затем диффундируют в организмы. Некоторые бактерии могут перерабатывать углеводороды именно из-за своего обитания в водно-нефтяной среде.Сам механизм поглощения при этом остаётся неясным.

Хемотрофией для органических соединений остаётся конечный электронный акцептор. Аэробные организмы используют молекулярный кислород, превращая углеводороды в CO_2, H₂O и биомассу. В качестве конечных электронных акцепторов анаэробные организмы используют различные неорганические соединения, такие как сульфаты, нитраты и ионы железа. Некоторым микроорганизмам требуются особые электронные акцепторы, тогда как другие могутменять акцепторы в зависимости от их наличия. Ферментативные организмы используют органические соединения, такие как ацетат, и как конечный электронный акцептор, и как конечного электронного донора, превращая продукты обмена веществ в CH₄ и CO₂.

Различные неорганические питательные вещества, такие как азот и фосфор, нужны для биосинтеза основных биохимических соединений, включая протеины, фосфолипиды и нуклеиновые кислоты. Металлические микроэлементы, такие как молибден, кобальт и красная медь, являются основными компонентами ферментов. Т.к. эти неорганические породы критически важны для жизнедеятельности и их отсутствие может ограничить биодеградацию, для поддержания стабильной микробиотическойэкосистемы их требуется совсем немного, потому что эти элементымогут использоваться повторно.

 

Класс и состав пород

Класс, состав пород, пористость и проницаемость могутсильно влиять на микробную активность. В целом, открытые горные породы по сравнению сзакрытыми обладают более благоприятными условиями, позволяя распространяться питательным веществами бактериям (Jenneman и др., 1985; Fredrickson и др., 1997; Krumholz, 2000). Например, Brooks и др. (1998) пришли к выводу, что биодеградация нефти в скоплениях в западной Канаде выше в грубых породах в по сравнению с мелкозернёными.

Большинство нефтематеринских пород зернистые, пористые и с низкой проницаемостью. Следовательно,извлекаемое из большинства нефтематеринских пород не биодеградируется из-за того, что микробам не доступны органические вещества. Извлекаемые, которое являются показателем биодеградации, обычно добываются из пдвергнутых гидроразраву пород, которые покрыты перемещающейся по пластам нефтью. Адсорбация нефти из глинистой среды может изолировать её от микробиотических атак. Например, Wengner и Isaken (2002) выявили, что биодеградация не происходит в покрытых нефтью породах, если их концентрация ниже черты насыщения.

 

То, что бактерии чаще предпочитают открытые породы, позволяет производить промежуточные измерения восстановления нефти. На многих месторождениях поздней стадии разработки заводнение пласта отбензинило почти всю нефть из водопроницаемых участков. Росту микробов может поспособствовать появление там питательных веществ, что в свою очередь заблокирует эти участки и поспособствует промывке слабопроницаемых участков с большим количеством остаточной нефти.

 

Температура

Основным фактором биодеградации является температура нефтеносного пласта. В ходе эмпирических наблюдений было установлено, что микробиотическая биодеградация нефти оптимальна при температуре земной поверхности, а предельная температура биодеградации ~60-80^oC. К примеру, нефть, содержащаяся в пластах на глубинах <1500 м. (<~70 ^oC) в нефтяном месторождении Шенли, в Китае, выемку биодерадированных n-алканов, в то время как на больших глубинах природа n-алканов не меняется. Температурные рамки ~60-80^oC совпадают с ростом и жизненными условиями многих мезофильных бактерий. С другой стороны, эти температуры существенно ниже температур, оптимальных для термолюбивых и археи бактерий. Одна из особо термолюбивых бактерий, Pirolobusfumarii, это археи бактерия сферической формы, полученныеиз глубоководного геотермального источника среднеатлантическим хребтом на глубине 3650 м. Pirolobusfumariiразвивается при температурах от 90^oC до 113^oC (оптимальная температура 106^oC), и экспоненциально развивающиеся культуры выживают в течение часа даже во время стерилизации при 121 ^oC.

Примечание: обнаружение бактерий рядом с источником «чёрного курильщика» (глубоководными выбросами обогащённых рудными компонентами р-ров через подводящие каналы на дне океанов) позволило предположить, что некоторые организмы могут успешно деградировать нефти при гораздо более высоких температурах (~250^oC). Возможно, эти организмы попали в пробы нефти из-за сильной теплоотдачи воды в районе геотермальных источников. Неустойчивость живых макромолекул (напр. протеинов) и мономеров (напр. аденозинтрифосфата) в живых организмах при теипературе выше ~110^oC наводит на мысль, живые организмы могут существовать при более высоких температураДля анаэробная термолюивая архебактерия Pyrodictiumbrockii, полученная из подводных геотермальных источников, оптимальная температура развития достигает 105^oC, что всего на 1^oC ниже, чем у бактерии Pirolobusfumarii.

Некоторые нефтеносные слои заполнялись нефтью при температурах <80^oC, но в настоящее время их температуры выше из-за оседания породы. Эти нефтеносные слои особенно преобладают в быстро оседающих третичных бассеинах. В таких случаях мелководная нефть может диградироваться прежде, чем чем на больших глубинах произошла стерелизация нефтеносных пластов. К примеру, в плеоценских нефтеносных пластах в прибрежной зоне южного нефяного месторождения в Мексиканском заливе биодеградация произошла при температуре ~90^oC. Реконструкция бассеина позволяет предположить, что пески нефтеносного слоя заполнялись нефтью при <70^oC, но позднее осели, и в течении последних одного или двух миллиона лет подвергались более высоким температурам.

 

Наличие микроорганизмов

До недавнего времени считалось, что ниже седиментационной водной среды биосфера распространяется только на несколько метров. Следовательно, только немногие микробиологи проводили исследования пригодности для живых организмов глубоких морских вод. В ранних исследованиях сообщалось об обнаружении теплолюбивых сульфатопроизводящих бактериях в нефтеносных пластах Западной Сибири.

C. 648

До 1990-ых годов в русской научной литературе подвергалось сомнению существование бактерий на глубоких слоях, в то время как большое число исследований выявляло(в основном с помощью 16S rRNA проб) наличие теплолюбивых бактерий во многих глубоководных бассеинах. Бактерии Thrmodesulfobacterium были изолированы от нефтеносного пласта Северного моря (Атлантический океан у берегов Европы) и в последствии рост этих бактерий происходил при похожих условиях.Было доказано, что эти бактерии приспособлены к высоким температурам и давлению, и что нижние слои почвы являются их естественной средой. Бактериидесульфовибрио быливзятыизобразцовводыисточниковПарижскогобассеина (Северо-Французскойнизменности), такжебылозафиксированоналичиегипертермофильных(Archaeoglobus) ипростыхбактерий (Thermotoga, Thermoanaerobacter и Thermodesulfobacterium). Подобные тесно связанные между собой группы бактерий были обнаружены в водных нефтеносных районах по всему миру.

Нижние слои биосферы могут рассматриваться как сплошная микробиотическая масса, которая начинается на уровне осадочных отложений. Сейчас нам известно, что микробная активность может наблюдаться на глубинах более 1000 м. Организмы, находящееся на глубоких слоях, могут вести своё происхождение от микробов, которые сужествовали на поверхности, или попасть в породу сквозь поры с метеоритовой водой. К примеру, штаммы бактерии десульфовибрио из гранитных конусов глубиной 600 м. имеет примерно такие же 16S rRNA последовательности, как и штаммы, развивавшиеся в осадочных отложениях ниже уровня морского дна. Тем не менее, экология и жизнедеятельность микробных колоний в глубоких слоях почвы коренным образом отличаются от того, что можно наблюдать в надонных отложениях.

В конусах породы, взятой в Северном море и Ирландском бассеине минеральных вод, были найдены бактерии местного происхождения. Нужно отметить, что температура в тих областях достигает 150^oC. Кроме того есть косвенное свидетельство жизнедеятельности анаэробных бактерий (H₂S, пирит и экзополимеры) в нефтеносных пластах при температуре 95 ^oC. Обнаружение в нефтеносных породах гипертермофильных бактерий, наравне с обнаружением популяций метаноорганических архебактерий, развивающихся исключительно за счёт неорганических H₂ и CO₂, родило гипотезу о том, что жизнеспособные микробиотические системы могут существовать в верхней части главной зоны нефтеобразования и даже за её пределами.

В Северном море существует связь между температурой нефтеносного пласта и объёмом биодеградации. А вот нефтепродукты Баренцева моря и Уэссекского бассейна не были биодеградированы, хотя температура некоторых из их нефтеносных слоёв значительно ниже. Причина здесь в том, что у этих бассеинов была разная геотермальная история. Температура нефтеносных пластов на грабене Викинг сейчас максимальна, тогда как пласты в Северном море и Уэссекском бассейне в своё время погружались под землю и поднимались обратно. Предполагалось, что последние пласты подверглись стерилизации из-за повышения температуры до >80^оС прежде чем наполниться нефтью. В дальнейшем, единожды лишившись микроорганизмов, эти пласты не были вновь заселены популяциями живыхгидрокарбон-деградирующих организмов. И хотя отсутствие биодеградации в этих более прохладных нефтеносных породах может быть связано с другими факторами, теория о стерилизации поддерживает идею, что активные микробы в глубоких нефтеносных слоях являются потомками микробиотических популяций, существовавших во время напластования нефтеносных осадочных отложений. Это может объяснить то, что нижний предел биодегрдации нефти составляет ~80^oC, а так же общее отсутствие высокотермофильных организмов в нефтеносных слоях с высокими температурами.

Всё ещё не доказано, могут ли микробы попадать в нефтеносные слои с поверхностными водами. Микробы могут оказаться слишком крупными, чтобы проникнуть в мелкопористые породы.

C. 649

Гипертеплолюбивые бактерии, включая те, кторые обитают на глубоководных морских выпускных отверстиях, были одбнаружены в четырёх нефтеносных слоях Северного моря на уровне ~3000 м. ниже уровня дна. Эти микробиотические культуры увеличиваются в объёме при температурах от 85^oC до 102^oC, что соответствует температурам нефтеносных слоёв, в которых они содержатся. Некоторые из этих культур развиваются анаэробно в стерильной морской воде, и единственным источником карбонов и энергии для них является неочищенная нефть. Всё выглядит так, словно эти теплолюбивые бактерии попали в нефтеносные слои вместе с заражённой морской водой, хотя они могли проникнуть туда и через разрывные нарушения. Исследуемые нефтеносные пасты ежедневно затоплялись 40 000 – 127 000 м³ морской воды, чтобы вытеснить необходимую для для производства нефть. Несмотряна применение биоцидов, эти меры не дают 100% эффективности, и живые микроорганизмы всё равно могут сохраняться в воде.

Внимание: Главный вопрос микробиологических нефтерождений – присутствуют ли микробы в нефтеносных пластах изначально, или поподают туда во время бурения и с водой. Несколько исследований оспаривают то, что появление одинаковых микробиотических колоний в разных минеральных водах, которые не подвергались заражению, равноценно тому, что эти колонии – штаммы изначально присутствующих в пластах популляций. Тем не менее, подбор различных проб неинфецированных минеральных вод не гарантирует незаражённые образцы. Например, пробы буровой грязи содержат бактерии ещё до бурения.

 

Минералезация

Геологи давно установили, что биодегродированная нефть чаще всего образуется в места с низкой минерализацией воды (<100-150 частей на тысячу). В пластах с высокой минерализацией нефть обычно не биодеградирована. Многие солёнолюбивые микроорганизмы (напр. различные штаммы зелёных водорослей, бактерии фотосинтезирующие серу и архебактерии) хорошо развиваются в водах с минерализацией более 100-150 частей на тысячу. То, что смещение нефтематочной породы происходит и в солёной и в пресной среде, показывает, что солёнолюбивые организмы могут присутствовать в карбонатах и выпаривать источники и нефтеносные породы.

 

 

Некоторые микроорганизмы способны выжить в очень солёной воде, но это не означают, что они будут и дальше в ней развиваться.К примеру, сорообразующие бактерия, полученная из соляного кристала, возрастом 250 миллионов лет, в пластовом месторождении пермского период Саладо в Нью Мексико. Штамм палочковой бактерии 2-9-3 по всей видимости жил в гипергалинном водоёме на протяжении позднего пермского периода, был заключён в кристалл соли и выжил ввиде спора, пока, наконец, не высвободился и не начал развиваться при абсолютно безмикробных условиях. Месторождениею Саладо примерно столько же лет, как и месторождению Phosphria, богатой нефтематочной породе на западе территории США.