Скачать (58,1 Кб)

Микробы запасают металлы

В. Ф. Чубуков
Химия и Жизнь №11, 1982 г., с. 53-55

МЕДЬ, УРАН, ЗОЛОТО…

Жители многих приморских стран издавна собирали морские водоросли - вкусное, питательное блюдо, корм для домашних животных, удобрение для полей. Кроме того, водоросли - богатый источник йода: его в них до 1,2% от сухой массы. Это значит, что концентрация йода, скажем, в ламинарии в 200 000 раз выше, чем в морской воде.

Морские животные и растения могут накапливать в своем организме и другие вещества, растворенные в морской воде. Вот, например, крошечное простейшее животное - акантария, одна из разновидностей радиолярий. Она строит свой скелет не из гипса или окиси кремния, как все другие представители планктона, а из минерала целестина - сульфата стронция, которого в воде ничтожно мало - всего 0,0008%. Морские губки способны накапливать золото из его солей, растворенных в морской воде в еще более низкой концентрации - 0,0000000004%!

Но настоящими рекордсменами по извлечению металлов из окружающей среды оказались микроорганизмы - бактерии, плесени, микроскопические водоросли, обитающие в почве, пресноводных водоемах и морской воде. Плесневые грибы аспергиллы содержат до 0,3% меди - в 30 000 раз больше, чем в окружающей среде. Многие бактерии в больших количествах накапливают уран: пресноводная микроводоросль хлорелла - до 0,4% сухой массы, актиномицеты - до 4,5%, денитрифицирующие бактерии - 14%, а специально отобранные культуры дрожжей или псевдомонад - до 50%!

Рис. 1. Срезы клеточной стенки бактерии Bacillus subtilis после 5 минут (а) и 10 минут (б) пребывания в 5 мМ растворе AuCl₃·2Н₂О. Стрелками показаны центры кристаллизации металлического золота. Фото из журнала "Journal of Bacteriology"

Механизмы накопления металлов микробными клетками все еще очень мало изучены, и исследователи, работающие в этой области, то и дело наталкиваются на совершенно новые факты. Недавно группа канадских ученых под руководством Т. Бевериджа опубликовала очень интересные данные о бактерии, известной под названием сенной палочки (Bacillus subtilis). При выращивании этой бактерии в растворе хлористого золота на ее стенках образуются микрокристаллы чистого металлического золота. Выяснилось, что накопление металла происходит в два этапа. Сначала катионы Au^3-, находящиеся в растворе, взаимодействуют с отрицательно заряженными группами макромолекул, входящих в состав клеточной стенки бактерии (с фосфатными группами фосфорилированных полисахаридов или с карбоксильными группами пептидогликана). При этом возникают своеобразные ядра кристаллизации, на которых затем быстро осаждается металл из раствора (рис. 1). Кроме золота, сенная палочка может извлекать из раствора еще 40 металлов.

ЗАЧЕМ ИМ ЭТО НУЖНО?

И золото, и большинство других металлов, которые накапливают в своих клетках микроорганизмы,- это тяжелые металлы. Давно известно, что такие металлы даже в ничтожных концентрациях ядовиты. Проникая в живые клетки, они нарушают их жизнедеятельность: инактивируют ферменты, вызывают разрывы в цепях нуклеиновых кислот и т. д. Возникает вопрос: зачем же в таком случае микроорганизмы накапливают эти потенциально опасные вещества?

Ответ, по-видимому, довольно прост. Металлы могут сорбироваться на клетках микроорганизмов именно потому, что они токсичны и их надо как-то нейтрализовать. Дело в том, что уже давно установлено: свое токсическое действие тяжелые металлы проявляют только в виде ионов. Если же их тем или иным способом перевести в связанную форму, то они лишаются токсических свойств. Это отчасти напоминает механизм самозащиты, выработанный некоторыми морскими водорослями, о которых рассказывалось в "Химии и жизни" (1980, № 3): эти водоросли умеют обезвреживать токсичные соединения мышьяка, связывая их с промежуточными продуктами фотосинтеза и откладывая в клеточных мембранах в виде безвредных производных. Такое же положение и здесь: металл, отложенный в клеточной стенке в кристаллическом виде или в виде плохо растворимых соединений, оказывается безвредным для микроба.

Рис. 2. Магнетосомы - скопления магнетита диаметром до 500 ангстрем в цитоплазме бактерии Aquaspirillum magnetotacticum. Фото из журнала "Scientific American".

Но это, очевидно, не единственная причина накопления металлов. Отложения металла могут быть, например, своеобразным "отходом" основных жизненных процессов. Так обстоит дело, по-видимому, у многих железо- и марганцеокисляющих бактерий. Они питаются готовыми органическими веществами, которые в естественных условиях часто представлены металло-органическими соединениями. В таких соединениях металл, с точки зрения бактерии,- такой же балласт, как для человека, скажем, косточка в вишне; не имея возможности его выплюнуть, бактерия откладывает его на своей клеточной стенке.

Далеко не всегда металл является для микроорганизмов ненужным балластом. Некоторые металлы необходимы микробам - или постоянно, или в какие-то определенные моменты развития. Например, известный азотфиксирующий микроорганизм - азотобактер нуждается в железе, без которого не может работать важный для его жизнедеятельности железосодержащий фермент нитрогеназа. Металлы могут входить в состав различных внутриклеточных транспортных систем, поддерживать определенный ионный состав клеток. Во всех таких случаях способность накапливать металл оказывается для микроорганизма полезным свойством.

Металлы могут играть важную роль и в экологических взаимоотношениях микроорганизмов. Примером может служить обитающая в Атлантике, у берегов Флориды, цианобактерия Gomphosphaeria aponia. Для своей жизнедеятельности она нуждается в железе, которое запасает "на черный день", откладывая в виде гидроокисей на своей клеточной оболочке. Такая способность дает ей преимущество перед живущей в тех же водах нитчатой водорослью Gymnodinium breve, которая тоже нуждается в железе, но накапливать его впрок не может. Поэтому размножение цианобактерий приводит к массовой гибели их конкурентов.

Совершенно особую роль играет способность к накоплению металла в экологии недавно обнаруженной группы пресноводных бактерий, обладающих свойством магнетотаксиса - движения вдоль силовых линий магнитного поля (см. статью А. Минеева "О магнитах, бактериях и магнитобиологии" в № 10 "Химии и жизни" за 1980 г.). Эти бактерии содержат цепочки магнетосом - скоплений магнетита FeO o Fe₂O₃ диаметром до 500 ангстрем (рис. 2), которые, как магнитная стрелка, ориентируют бактерию в пространстве и определяют направление ее передвижения в воде. Из-за того, что силовые линии земного магнитного поля проходят не строго горизонтально, а наклонены под тем или иным углом (это называется магнитным наклонением), бактерия, стремясь плыть к северу, в северном полушарии при этом "зарывается" в толщу воды, где, по-видимому, находит оптимальные условия для своего развития: подходящую температуру, соленость, скопления питательных веществ. К тому же все эти бактерии относятся к числу анаэробов и поэтому вынуждены избегать поверхностных слоев воды, богатых кислородом. Любопытно, что подобные же бактерии, выловленные в южном полушарии, передвигаются в сторону не северного, а южного полюса.

Микроорганизмы, накапливающие железо и марганец, играют важную роль в почвообразовательных и геохимических процессах, участвуя в образовании скоплений железо-марганцевых конкреций на дне океанов, широкая промышленная разработка которых, как ожидают, может начаться уже в ближайшее время.

Накопление микроорганизмами металлов иногда может представлять и большую опасность для различных звеньев экологических систем. В особенности это касается накопления радиоизотопов и некоторых алкилированных соединений металлов, представляющих собой крайне ядовитые вещества.

ЖИВЫЕ СОРБЕНТЫ В ТЕХНОЛОГИИ

Большинство микроорганизмов, о которых шла до сих пор речь, живет в водной среде, преимущественно в океане. Между тем в последние годы Мировой океан все в большей степени рассматривается как потенциальный источник разнообразных полезных веществ, запасы которых на суше заметно уменьшаются, а иногда и близки к исчерпанию. В морской воде растворено 6 млрд. тонн меди, 4 млрд. тонн урана, полмиллиарда тонн серебра, почти 10 млн. тонн золота. Нельзя ли извлечь эти богатства с помощью микроорганизмов, обладающих такой удивительной способностью концентрировать металлы?

Это отнюдь не праздная фантазия. Несколько лет назад группа ученых из ФРГ запатентовала биофильтр для получения из морской воды урана с помощью одноклеточных микроводорослей, плесеней или нитчатых бактерий, способных специфически сорбировать этот элемент. Суммарная поверхность фильтра превышает 100 м²; его предполагается установить в приливно-отливной зоне, где через него за сутки будет проходить не менее 16 м³ морской воды. Среднее содержание урана в ней - 3·10^-7%; нетрудно подсчитать, что если весь уран, который есть в воде, будет уловлен водорослями, то за год мы получим его около 18 г. Это, конечно, немного, однако можно поставить не один, а много таких биофильтров или увеличить их пропускную способность. Если же через них пропускать природные воды, протекающие вблизи урановых месторождений, где концентрация урана бывает иногда в тысячу раз выше, чем в морской воде, то перспективы становятся совсем заманчивыми.

В подобных технологических процессах могут работать не только живые, активно функционирующие микроорганизмы, но и отдельные их компоненты, например препараты клеточных стенок бактерий. Эта технология, по утверждению ее сторонников, выгоднее существующих методов, основанных на применении химических сорбентов. В частности, биологическая сорбция идет гораздо быстрее химической. Например, при извлечении урана или золота из раствора химическими сорбентами равновесное состояние устанавливается лишь через много часов, а тот же процесс с участием биологического сорбента - клеточных стенок сенной палочки - может занимать всего несколько минут.

Микробы, накапливающие металлы, превосходят химические сорбенты и по емкости и специфичности сорбции.

Особенно важно то, что при этом сорбентом может служить, по существу, бросовый материал, отход производства. На предприятиях микробиологической промышленности (например, на заводах, вырабатывающих кормовые аминокислоты) образуются сотни и тысячи тонн биомассы микроорганизмов, которую просто выбрасывают. На заводах по производству антибиотиков тоже образуется много отходов - мицелия плесневых грибов-продуцентов, который пока приходится вывозить и закапывать в глубоких траншеях, чтобы не загрязнять окружающую среду. Нетрудно подсчитать, какую экономию можно получить, используя эти отходы для извлечения металлов.

Наконец, с помощью микробов-биосорбентов можно очищать от тех же тяжелых металлов, в том числе и радиоактивных, промышленные стоки. При таком способе не требуется предварительная очистка сточных вод от взвешенных частиц и органических примесей, а загрязнения извлекаются быстрее, чем химическим путем. Например, культура плесеней фикомицетов удаляет из загрязненной воды уран в 3,5 раза быстрее, а торий - в 2,3 раза быстрее, чем ионообменные смолы. Если же использовать культуру денитрифицирующих бактерий, то уже через 8 минут контакта с биосорбентом концентрация урана в воде снижается с 25 до 0,5 мг/л. Такая быстрота и надежность детоксикации позволили американским исследователям рекомендовать новый метод для ликвидации последствий возможных аварий атомных реакторов.

Для повышения эффективности подобных систем очистки можно "усовершенствовать" используемые в них микроорганизмы методами генной инженерии. В США уже запатентован способ биологической детоксикации ртуть-содержащих сточных вод - там работают бактерии псевдомонады, которым ввели плазмиды, определяющие синтез белка, способного связывать ртуть из ее соединений - как органических, так и неорганических. "Отработавшие" клетки потом сжигают, а ртуть выделяют из продуктов их сгорания.

Технологические решения, основанные на использовании биосорбентов, расширяют возможности охраны окружающей среды и открывают перспективы получения ценного сырья для промышленности. Нет сомнения в том, что это новое направление в биотехнологии ожидает большое будущее.