Бактерии промзоны: как микроорганизмы приспособились к отходам коксохимии

В Питтсбурге, одном из исторических центров американской металлургии, бывшие промышленные территории постепенно осваивают заново. На месте старых цехов появляются жилые кварталы, технологические парки и университетские лаборатории.

Один из крупнейших таких проектов — Хейзелвуд-Грин, участок площадью 72 гектара на берегу реки Мононгахила. Более ста лет здесь работали предприятия Jones & Laughlin Steel. Производство обеспечивало сталью строительство мостов, железных дорог и техники, но оставило после себя загрязненный грунт.

В почве накопились продукты переработки угля и нефти, а также отходы металлургического производства. Участок отнесли к браунфилдам — землям, повторное использование которых требует предварительной очистки.

Пока инженеры готовят верхние слои грунта к новой застройке, биологи Университета Карнеги — Меллона исследуют более глубокие горизонты. Анализ показал, что даже в сильно загрязненной почве сохраняется микробная жизнь. За десятилетия местные бактерии приспособились к токсичным соединениям, а некоторые получили способность использовать их в обмене веществ.

Что осталось в почве после коксохимического производства

Для выплавки стали необходим кокс, который получают из каменного угля при высокой температуре без доступа воздуха. При коксовании и переработке сопутствующих смол образуется множество химических соединений.

Среди характерных загрязнителей — вещества группы БТЭК:

• бензол;
• толуол;
• этилбензол;
• ксилол и его изомеры.

Эти вещества относятся к ароматическим углеводородам. Их структура включает устойчивое бензольное кольцо, поэтому они могут долго сохраняться в почве и грунтовых водах.

Соединения БТЭК опасны для здоровья. Бензол поражает кроветворную систему и связан с развитием лейкемии. Толуол и ксилол при значительном воздействии могут повреждать центральную нервную систему, почки и печень. Для многих почвенных микроорганизмов высокие концентрации таких углеводородов также губительны: загрязнители повреждают клеточные оболочки и нарушают обмен веществ.

Как бактерии приспособились к загрязненной среде

В обычной почве живут многочисленные сообщества микроорганизмов, перерабатывающих растительные остатки и другие органические соединения. Попадание растворителей, масел и коксохимических отходов резко меняет состав такого сообщества: чувствительные виды погибают, а более устойчивые получают преимущество.

На глубине, под слоями строительного мусора и шлака, доступных источников органического углерода мало. В этих условиях бензол, толуол и их производные стали для части микроорганизмов не только токсичной средой, но и возможным источником углерода.

Расщеплять ароматические углеводороды бактериям помогают ферменты, в том числе оксигеназы. Они присоединяют кислород к бензольному кольцу и запускают его преобразование в более простые соединения. Полученные продукты клетка включает в обычные обменные процессы, извлекая из них энергию и материал для роста.

Полезные признаки распространяются в бактериальных сообществах не только при размножении. Микроорганизмы могут обмениваться фрагментами генетического материала, в том числе плазмидами — небольшими кольцевыми молекулами ДНК. Они способны переносить гены, связанные с устойчивостью к загрязнителям и синтезом ферментов для их разложения.

Как изучают микробное сообщество промзоны

Исследователи Университета Карнеги — Меллона отбирают образцы с помощью грунтовых кернов. Полая металлическая труба извлекает цилиндрический столб почвы длиной в несколько метров, сохраняя последовательность слоев.

Верхняя часть керна содержит насыпной грунт, завезенный при подготовке площадки. Ниже располагаются слои, сформировавшиеся во время работы предприятия. Это позволяет сопоставлять состав почвы и микробного сообщества с историей промышленного участка.

Вырастить большинство природных микроорганизмов на стандартных лабораторных средах не удается. Поэтому ученые применяют метагеномное секвенирование:

1. отбирают образец грунта с заданной глубины;
2. разрушают содержащиеся в нем клетки;
3. выделяют суммарную ДНК;
4. считывают генетические последовательности всех микроорганизмов в образце;
5. с помощью программного анализа определяют состав сообщества и набор присутствующих генов.

Особое внимание исследователи уделяют генам, которые кодируют ферменты разложения ароматических углеводородов. Сопоставление генетических данных с архивными картами завода показало закономерность: в слоях, соответствующих участкам с более сильным историческим загрязнением, чаще встречаются специализированные гены деградации токсичных соединений.

Как проверяют способность бактерий разлагать БТЭК

Наличие нужного гена еще не доказывает, что микроорганизм действительно использует загрязнитель. Поэтому потенциально активные штаммы проверяют в лаборатории на минимальной питательной среде.

1. Готовят минеральную среду. В воду добавляют соединения азота, фосфора, калия и магния, необходимые для жизнедеятельности клеток.
2. Исключают обычные органические вещества. В составе нет глюкозы, аминокислот, дрожжевого экстракта и других привычных источников органического углерода.
3. Добавляют загрязнитель. Единственным источником углерода становится бензол, толуол, этилбензол или ксилол.
4. Отслеживают рост. Изменение оптической плотности среды показывает, увеличивается ли бактериальная биомасса.

Результат дополнительно подтверждают измерением концентрации загрязнителя. Это позволяет отличить его биологическое разложение от испарения или других потерь. При полном разложении ароматические углеводороды преобразуются в углекислый газ, воду и компоненты бактериальной биомассы.

Роботизированный отбор перспективных штаммов

Ручная проверка большого числа культур занимает недели, поэтому исследователи подключили роботизированную лабораторию AI Science Foundry. Она находится в Бейкери-Сквер — еще одном бывшем промышленном районе Питтсбурга, прошедшем очистку.

Автоматизированный комплекс выполняет основные рутинные операции:

• распределяет бактериальные культуры по микропланшетам;
• дозирует минеральную среду и загрязнители;
• регулярно измеряет прозрачность содержимого ячеек;
• контролирует изменение концентрации исследуемых веществ.

Для предварительного анализа геномов создана программа BTEXgenie. Она ищет участки ДНК, которые могут кодировать ферменты разложения бензола, толуола и родственных соединений.

Сначала алгоритм отбирает наиболее перспективные микроорганизмы по генетическим данным, затем их свойства проверяет роботизированный комплекс. Такой подход сокращает число культур, которые приходится тестировать экспериментально.

Что это дает технологиям очистки грунта

Загрязненные промышленные территории обычно очищают выемкой грунта либо изолируют защитными слоями.

При механической выемке почву перевозят на специализированные полигоны. Метод требует тяжелой техники и значительных затрат на транспортировку, при этом загрязнитель не уничтожается, а перемещается на другой объект.

При изоляции загрязненный слой закрывают глиной, геотекстильными мембранами, щебнем или бетоном. Такой вариант позволяет ограничить контакт с опасными веществами, но они остаются в грунте и требуют долгосрочного контроля.

Биоремедиация основана на разложении загрязнителей непосредственно на участке. Однако лабораторные штаммы не всегда выживают в реальной почве, где на них одновременно воздействуют кислотность, соли тяжелых металлов, температурные колебания и конкурирующие микроорганизмы.

Бактерии Хейзелвуд-Грин сформировались в самой загрязненной среде. Они десятилетиями существовали в присутствии смеси углеводородов, масел и тяжелых металлов, поэтому потенциально лучше приспособлены к условиям конкретного участка, чем стандартные лабораторные культуры.

От поиска бактерий к очистке промышленных земель

Практический подход может заключаться не в завозе новых штаммов, а в стимулировании уже существующего микробного сообщества. Через скважины в загрязненные слои можно подавать воду, кислород и минеральные вещества, необходимые бактериям для роста и разложения углеводородов.

Исследование Хейзелвуд-Грин показывает, что старые промышленные площадки могут быть источником микроорганизмов с полезными адаптациями. Метагеномный анализ помогает находить соответствующие гены, а лабораторные и роботизированные испытания — проверять, способны ли их носители разлагать конкретные загрязнители. Это создает основу для разработки методов очистки, рассчитанных на условия определенного промышленного участка.