میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن و نشت نفت

گرچه میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن عجیب و غریب به نظر می‌رسد، اما در سرتاسر جهان به وفور یافت می‌شوند، حتی زمانی که نفت خام وجود ندارد. محققان کشف کردند که بسیاری از انواع شناخته شده میکروب‌ها پتانسیل تجزیه هیدروکربن ها را دارند.

در طول نشت نفت، این میکروب های تجزیه کننده فراوانی هیدروکربن ها را حس کرده و به سمت منبع حرکت می کنند. در آنجا شکوفا می شوند و تولید مثل می کنند و هیدروکربن ها را مصرف می کرده  و البته گاهی اوقات آنها را به محصولات جانبی تبدیل می کند که تجزیه آنها سخت تر است. پس از اتمام مواد مغذی موجود، می‌میرند و سایر ارگانیسم‌هایی که این محصولات جانبی را تخریب می‌کنند.

دنیای طبیعی مملو از انبوهی از موجودات است که به عنوان یک جامعه ترکیب می شوند تا نفت را تجزیه کنند – و هیچ میکروبی، مهم نیست که چقدر از نظر ژنتیکی تقویت شده باشد، بهتر از این دفاع طبیعی ثابت نشده است. اطلس، که میکروب های دستکاری شده ژنتیکی و دیگر ایده های پاکسازی را در پی نشت نفت اکسون-والدز در آلاسکا ارزیابی کرد، می گوید: «به هر اقیانوسی که ما نگاه می کنیم، از قطب جنوب تا قطب شمال، باکتری ها و میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن وجود دارد. نفت هزاران ترکیب دارد. پیچیده است و جوامعی که از آن تغذیه می‌کنند پیچیده هستند.

این باکتری‌ها و قارچ‌های ساکن دریایی از هیدروکربن‌ها به عنوان سوخت استفاده می‌کنند و در نتیجه گاز گلخانه‌ای دی‌اکسید کربن را منتشر می‌کنند. در اصل، میکروب ها با استفاده از آنزیم ها و اکسیژن موجود در آب دریا، ساختارهای حلقه ای هیدروکربن های موجود در نفت دریا را تجزیه می کنند.

در حال حاضر، اندازه‌گیری‌های کاهش اکسیژن به میزان 30 درصد در آب دریای خلیج مکزیک نشان می‌دهد که میکروب‌ها سخت در حال خوردن روغن هستند. اطلس می‌گوید: «کاهش 30 درصدی اکسیژن در آب در نزدیکی نفت را نشان‌دهنده تخریب باکتری‌ها می‌دانم.

این اتفاق در نزدیکی سطح، چه در خشکی و چه در دریا، جایی که باکتری‌های آب گرم مانند Thalassolituus oleivorans می‌توانند رشد کنند، بهتر اتفاق می‌افتد. آب های سردتر و عمیق تر از رشد میکروبی جلوگیری می کنند. متابولیسم به ازای هر 10 درجه سانتیگراد کاهش دما حدود دو یا سه ضریب کاهش می یابد. پاسخ میکروبی به نشت نفت در حال انجام، هرچه عمیق تر باشد، این اتفاق بسیار آهسته رخ می دهد زیرا دما بسیار پایین است.

افزودن کودهایی مانند آهن، نیتروژن و فسفر برای تحریک رشد چنین باکتری هایی امکان پذیر است، رویکردی که برای سرعت بخشیدن به فعالیت میکروبی در رسوبات در امتداد سواحل آلاسکا پس از نشت Exxon-Valdez استفاده می شود. اطلس می گوید: “ما شاهد افزایش سه تا پنج برابری در نرخ تخریب زیستی بودیم.”

مکانیسم زیست تخریب پذیر میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن

میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن برای تجزیه نفت از آنزیم‌های خاصی استفاده می‌کنند که می‌توانند پیوندهای شیمیایی موجود در ترکیبات پیچیده نفت را بشکنند. این فرآیند با تجزیه مولکول‌های بزرگ و پیچیده هیدروکربن‌های نفت به مولکول‌های ساده‌تر آغاز می‌شود.

این مولکول‌های ساده‌تر می‌توانند به عنوان منابع انرژی و کربن برای رشد و تکثیر میکروب‌ها به کار روند. در فرآیند زیست‌تجزیه، میکروب‌ها از ترکیبات آلی موجود در نفت به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند، و به طور تدریجی نفت را به ترکیبات بی‌ضررتری مانند دی‌اکسید کربن و آب تجزیه می‌کنند.

نقش میکروب‌های هوازی و بی‌هوازی

در فرآیند زیست‌تجزیه، میکروب‌ها بسته به نوع شرایط محیطی که در آن قرار دارند، به دو دسته هوازی و بی‌هوازی تقسیم می‌شوند.

میکروب‌های هوازی برای تجزیه نفت به اکسیژن نیاز دارند و در محیط‌هایی که اکسیژن فراوان است، مانند لایه‌های سطحی آب و خاک، فعال‌تر عمل می‌کنند. آن‌ها با استفاده از اکسیژن به عنوان گیرنده نهایی الکترون، ترکیبات نفت را به محصولات نهایی مثل دی‌اکسید کربن و آب تبدیل می‌کنند.

در مقابل، میکروب‌های بی‌هوازی قادر به انجام زیست‌تجزیه در محیط‌های کم‌اکسیژن یا بدون اکسیژن هستند. این میکروب‌ها به جای اکسیژن از سایر ترکیبات مانند نیترات، سولفات، یا کربن‌دی‌اکسید به عنوان گیرنده الکترون استفاده می‌کنند.

در محیط‌های عمیق‌تر خاک یا رسوبات دریایی که اکسیژن محدود است، میکروب‌های بی‌هوازی نقش مهمی در تجزیه نفت دارند. این نوع تجزیه به دلیل سرعت پایین‌تر نسبت به میکروب‌های هوازی، به زمان بیشتری نیاز دارد.

تأثیر ترکیبات شیمیایی نفت بر فرآیند زیست‌تجزیه میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن

نفت از ترکیبات مختلفی شامل آلکان‌ها، آروماتیک‌ها، رزین‌ها و آسفالتین‌ها تشکیل شده است که هر یک به شکل متفاوتی توسط میکروب‌ها تجزیه می‌شوند.

ترکیبات ساده‌تر مانند آلکان‌ها و برخی ترکیبات آروماتیک در مقایسه با رزین‌ها و آسفالتین‌ها سریع‌تر تجزیه می‌شوند، زیرا ساختار شیمیایی ساده‌تری دارند و به آسانی مورد استفاده میکروب‌ها قرار می‌گیرند. از طرفی، ترکیبات سنگین‌تر و پیچیده‌تر مانند آسفالتین‌ها به دلیل مقاومت بالا در برابر تجزیه، به فرآیند زیست‌تجزیه مقاوم هستند و معمولاً نیازمند شرایط خاص یا میکروب‌های خاصی برای تجزیه کامل هستند.

بررسی روش پاکسازی آلودگی نفتی در سریع ترین زمان

عوامل مؤثر در زیست‌تجزیه نفت

تعدادی از عوامل محیطی و زیستی بر کارآیی میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن تأثیر می‌گذارند. از جمله مهم‌ترین این عوامل می‌توان به دما، pH، غلظت مواد مغذی، و شوری محیط اشاره کرد:

دما: دمای محیط تأثیر مستقیمی بر سرعت فعالیت میکروب‌ها دارد. دمای مطلوب برای تجزیه نفت توسط میکروب‌ها معمولاً در محدوده ۱۵ تا ۳۵ درجه سانتی‌گراد است. در دماهای پایین‌تر، سرعت تجزیه کاهش می‌یابد، اما برخی از میکروب‌ها به خصوص در محیط‌های سرد مانند مناطق قطبی، توانایی فعالیت در دماهای پایین را نیز دارند.

PHمحیط: PHمحیط نیز بر رشد و فعالیت میکروب‌ها تأثیر دارد. اکثر میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن در pH خنثی یا کمی اسیدی (حدود ۶ تا ۸) بهترین عملکرد را دارند.

مواد مغذی: میکروب‌ها برای فعالیت و تکثیر به مواد مغذی مانند نیتروژن، فسفر، و پتاسیم نیاز دارند. در محیط‌هایی که این مواد مغذی کم است، افزودن مواد مغذی می‌تواند فرآیند زیست‌تجزیه را تسریع کند.

شوری محیط: شوری آب یا خاک نیز بر توانایی میکروب‌ها برای تجزیه نفت تأثیر دارد. برخی میکروب‌ها به شرایط شور و نیمه‌شور عادت کرده‌اند، مانند گونه‌هایی که در محیط‌های دریایی یافت می‌شوند و می‌توانند در این شرایط به تجزیه نفت بپردازند.

کاربردهای زیست‌تجزیه در پاکسازی نشت نفت

یکی از کاربردهای میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن در پاکسازی زیست‌محیطی است که به آن «زیست‌پالایی» گفته می‌شود. این روش به دو صورت طبیعی و تقویتی انجام می‌شود:

زیست‌پالایی طبیعی: در این روش، فرآیند تجزیه توسط میکروب‌های بومی منطقه بدون دخالت خارجی انجام می‌شود. اگر شرایط محیطی مساعد باشد، میکروب‌های بومی قادر خواهند بود به مرور زمان نفت را تجزیه کرده و محیط را پاک‌سازی کنند.

زیست‌پالایی تقویتی: در این روش، برای افزایش سرعت و کارایی تجزیه، عواملی مانند افزودن مواد مغذی، کنترل دما، و افزایش سطح تماس میکروب‌ها با نفت اعمال می‌شود. همچنین، گاهی از میکروب‌های خاصی که توانایی بالایی در تجزیه نفت دارند استفاده می‌شود که به این عمل «تقویت زیستی» گفته می‌شود.

چالش‌ها و محدودیت‌های زیست‌تجزیه نفت

با اینکه زیست‌تجزیه روشی دوستدار محیط زیست برای پاکسازی آلودگی‌های نفتی است، اما محدودیت‌هایی نیز دارد. یکی از چالش‌های اصلی، سرعت پایین فرآیند تجزیه به ویژه در محیط‌های سرد یا محیط‌های بدون اکسیژن است. همچنین، ترکیبات پیچیده‌تر نفت که به سختی تجزیه می‌شوند، می‌توانند مدت‌ها در محیط باقی بمانند و اثرات زیست‌محیطی طولانی‌مدت ایجاد کنند. یکی دیگر از چالش‌ها، تداخلات زیستی و تغییرات اکولوژیکی است که در برخی موارد، با تغییر شرایط محیطی برای تقویت زیست‌تجزیه به وجود می‌آید. به عنوان مثال، افزودن مواد مغذی ممکن است موجب رشد بیش از حد گونه‌های خاصی از میکروب‌ها شده و تعادل اکولوژیکی را بر هم زند.

پیشرفت‌های علمی در استفاده از میکروب‌ها برای پاکسازی نفت

امروزه تحقیقات زیادی در زمینه استفاده از مهندسی ژنتیک برای بهبود عملکرد میکروب‌ها در تجزیه نفت انجام شده است. با دستکاری ژنتیکی، می‌توان گونه‌های میکروبی با توانایی بالاتر و سرعت تجزیه بهتر ایجاد کرد که به طور خاص برای محیط‌های سرد یا کم‌اکسیژن طراحی شده‌اند. علاوه بر این، مطالعاتی در مورد استفاده از میکروب‌های کنسرسیومی در حال انجام است، که در آن چندین گونه میکروب با هم به کار گرفته می‌شوند تا به صورت هم‌افزا به تجزیه ترکیبات مختلف نفت بپردازند.

نتیجه

میکروب های تجزیه کننده هیدروکربن نقش بسیار مهمی در تجزیه و پاکسازی آلودگی‌های نفتی ایفا می‌کنند و به طور طبیعی می‌توانند نفت را به مواد بی‌ضرر تجزیه کنند. این توانایی میکروب‌ها فرصتی بزرگ برای پاکسازی محیط‌های آلوده به نفت و کاهش اثرات زیست‌محیطی ناشی از نشت نفت فراهم کرده است. با این حال، برای دستیابی به کارایی بالاتر، نیاز به تحقیقات بیشتر و بهبود روش‌های تقویت زیستی داریم تا بتوانیم به طور مؤثرتری از این راهکارهای زیستی در پاکسازی محیط زیست استفاده کنیم.