Jak mikroorganizmy rozkładają krople ropy w środowisku morskim
Chociaż losy ropy naftowej w ekosystemach wodnych są przedmiotem licznych badań przeprowadzonych na przestrzeni kilkudziesięciu lat, to jednak pojawienie się i znaczenie podwodnych chmur kropelek zostało odkryte dopiero po awarii platformy wiertniczej Deepwater Horizon w 2010 roku. Obecnie brakuje rozwiązania in situ opartego na charakterystyce kropel ropy naftowej w podwodnych chmurach. Uczestnicy unijnego projektu OILY MICROCOSM postanowili wypełnić tę lukę w wiedzy, badając podstawowe mechanizmy mikroskalowe, które kontrolują biodegradację kropelek ropy naftowej przez mikroorganizmy morskie. „Cel ten udało się osiągnąć dzięki kreatywnemu połączeniu mikrofluidyki, zaawansowanego obrazowania i modelowania obliczeniowego”, wyjaśnia koordynator projektu Nicolas Kalogerakis. Stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie” George Kapellos współpracował z Massachusetts Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych (w laboratorium prof. Patricka Doyle’a), wykorzystując zestaw technik mikrofabrykacji, w tym litografii i druku przestrzennego, do opracowania nowych urządzeń mikroprzepływowych. Urządzenia te umożliwiły naukowcom obserwowanie pod mikroskopem oddziaływania kropli ropy z mikroorganizmami morskimi przez okres kilku tygodni.
Rola mikroorganizmów
Partnerzy projektu wykorzystali zaawansowane metody obrazowania, takie jak mikroskopia fluorescencyjna z wieloma sondami i mikroskopia konfokalna, aby zbadać morfologię powlekanych biofilmem kropelek węglowodorów, i wysunęli nową hipotezę dotyczącą mechanizmu ich powstawania. „Pokryta biofilmem kropla ropy rośnie w miarę jak wysoce aktywne mikroorganizmy gromadzą się na styku ropy i biofilmu. Gdy się mnożą i wydzielają biopolimery, wypychają na zewnątrz otaczającą je biomasę”, tłumaczy Kalogerakis. Naukowcy zaobserwowali to zjawisko po raz pierwszy, gdy zmniejszająca się kropla oleju była wchłaniana przez mikroorganizmy rozkładające węglowodory. „Zaobserwowaliśmy, że w pewnych warunkach określone mikroorganizmy morskie są w stanie skolonizować powierzchnię kropel węglowodorów i utworzyć grube pomarszczone biofilmy”, mówi. Naukowcy odkryli, ku swojemu zaskoczeniu, że biofilmy mikroorganizmów mogą z powodzeniem wchłaniać nawet duże, milimetrowe kropelki, co jest nieznanym wcześniej fenomenem zarówno w przypadku naturalnych, jak sztucznych systemów. Teraz zespół OILY MICROCOSM stara się ustalić, czy te ogromne pokryte biofilmem krople występują w naturalnych wodach morskich po wycieku ropy.
Modele pozwalają znaleźć odpowiedzi
W ramach projektu opracowano również nowy model matematyczny służący do przewidywania tempa biodegradacji i czasu przebywania mikrokropelek ropy w słupie wody. Model uwzględnia wpływ prędkości znoszenia, kinetyki mikrobów oraz dostępności tlenu, niezbędnych minerałów i wielu składników ropy. „Ustaliliśmy, że niedobór tlenu lub innych składników odżywczych pochodzących z wody, takich jak azot i fosfor, ogranicza tempo biodegradacji kropli poprzez odpychanie wysokoaktywnych mikroorganizmów od tłustej powierzchni”, wskazuje Kalogerakis. Co więcej, model matematyczny stanowi również cenne narzędzie ułatwiające podejmowanie decyzji. Na przykład, należy unikać stosowania emulgatorów do rozprowadzania wycieków ropy w „strefach martwych” o bardzo niskiej dostępności tlenu. Projekt OILY MICROCOSM przyczynił się również do dokładniejszego zrozumienia biodegradacji węglowodorów na poziomie pojedynczych kropli. Wniósł też cenny wkład w analizę danych z eksperymentów prowadzonych przy bardzo wysokich ciśnieniach (ponad 250 barów), które odtwarzają potencjalne wycieki węglowodorów głęboko pod powierzchnią wschodniej części Morza Śródziemnego. W związku z tym omawiane prace i wyniki projektu wniosą ważny wkład w zrozumienie procesu biodegradacji ropy naftowej i będą stanowić inspirację dla przyszłych badań, technologii prorozwojowych i narzędzi decyzyjnych pomagających w łagodzeniu negatywnych skutków wycieków ropy na morzach. Omawiane badanie przeprowadzono dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Słowa kluczowe
OILY MICROCOSM, biodegradacja, wyciek ropy, ropa naftowa, mikroorganizmy morskie, mikrofluidyka, model matematyczny, chmura kropelek, biopolimer, mikrokropelka