Как микроорганизмы, питающиеся металлами, помогают циркулировать в окружающей среде редкому и токсичному элементу теллуруКак микроорганизмы, питающиеся металлами, помогают циркулировать в окружающей среде редкому и токсичному элементу теллуру
Новые технологии часто означают, что элементы начинают перемещаться в окружающей среде новыми путями.
Возьмите свинцовые водопроводы: они помогли обеспечить доступ к пресной воде для широких масс, но оставили токсичное наследие, которое сохраняется до сих пор. По мере того как мы отказываемся от ископаемого топлива, мы обращаемся к технологиям, основанным на редких элементах, которые в прошлом практически не использовались. Одним из них является теллур, элемент, используемый во все большем количестве солнечных батарей.
Как предугадать потенциальные трудности, связанные с резким увеличением поступления теллура в биосферу? И как обеспечить безопасное обращение в биосфере этого элемента? Чтобы ответить на эти вопросы, мы отправились на заброшенный золотой рудник в Мексике и выяснили, как микробы, питающиеся металлом, перемещают этот неуловимый элемент в окружающей среде.
Теллур в земной коре встречается так же редко, как золото, - всего около 1 миллиграмма в каждой метрической тонне средней породы земной коры. Серебристое вещество было открыто только в 1783 году, и до недавнего времени его главная заслуга заключалась в том, что при работе с ним от вас может неприятно пахнуть чесноком. Теллур часто встречается в золотых месторождениях. Несмотря на репутацию золота как долговечного металла, за последние 15 лет мы обнаружили, что этот драгоценный металл удивительно подвижен в окружающей среде - он даже растет на деревьях!
Оказывается, определенные микроорганизмы могут эффективно переваривать золото, медленно превращая золотые самородки в химические формы, которые могут перемещаться в окружающей среде. Эти подвижные соединения золота (особенно те, которые могут растворяться в воде) довольно токсичны: только несколько микробов, устойчивых к металлам, могут процветать в уникальной микросреде, которая находится на поверхности крупинки золота.
Микроорганизмы и органический материал на поверхности самородного золота (слева) и теллура (справа) способствуют активному круговороту этих редких элементов. Желтыми кружками выделены наночастицы теллура. Фото: Missen et al.
Мы хотели проверить, могут ли микробы осуществлять круговорот теллура в окружающей среде так же, как они делают это для золота. Для этого мы выбрали природные рудные месторождения, но найти подходящее место было непросто. Поскольку высокое содержание теллура связано с высоким содержанием золота, большинство месторождений теллура, расположенных близко к поверхности, были давно выработаны. В конце концов наши поиски привели нас в Моктесуму в Мексике, где находится небольшой бывший золотой рудник, исключительно богатый теллуром.
Металлический теллур в свежей руде (слева) окисляется до цветных минералов вблизи поверхности (зеленый эммонсит на среднем снимке). Дальше от жилы теллур все еще можно обнаружить (справа), но он не образует собственных минералов.Фото: Missen et al.
На руднике мы изучали руды и почвы вдали от главной жилы золота и теллура. Мы обнаружили, что теллур удаляется от наиболее богатой руды, и обнаружили первое свидетельство наличия наночастиц природного теллура на поверхности кусков самородного теллура. Это открытие имеет большое значение, поскольку наночастицы играют особую роль в окружающей среде, так как они обладают иными свойствами по сравнению с макрочастицами. Например, они более реактивны, чем крупные частицы, и могут быть токсичны сами по себе.
Найденные нами наночастицы теллура оказались очень похожи на наночастицы золота, которые ранее были обнаружены на поверхности золотых песчинок. Мы также показали, что золото и теллур имеют довольно разные способы переноса в почве и грунтовых водах. Частицы золота могут переноситься на большие расстояния, например, в реках. Однако металлический теллур быстро окисляется при контакте с воздухом, образуя легкорастворимые и токсичные соединения. Таким образом, физическая транспортировка частиц теллура в металлической форме невозможна. Перемещение теллура также ограничено реакцией с обычными минералами в почве. Это хорошо, поскольку ограниченная подвижность теллура позволяет поддерживать низкую концентрацию в грунтовых водах и, следовательно, ограничивает токсическое воздействие.
В ходе наших последних исследований мы обнаружили наночастицы теллура в почве Моктесумы, вдали от богатых металлами обнажений. Поскольку металлические наночастицы теллура очень реактивны и не способны долго сохраняться в почве, это открытие является самым убедительным доказательством того, что микроорганизмы активно способствуют круговороту этого редкого элемента в окружающей среде. Скорее всего, теллур в этих почвах подвержен динамическому циклу окисления и растворения с последующим восстановлением и выпадением осадка, и все это под контролем микробной деятельности.
В экспериментах in vitro некоторые микробы, обитающие в среде, богатой золотом или теллуром, способны выделять наночастицы металлов, растворенных в среде роста, тем самым детоксифицируя окружающую среду. Слева на клетке Serratia видно множество частиц золота на поверхности клетки (более светлые пятна); справа на поперечном срезе клетки Rhodococcus видны иглоподобные частицы теллура, растущие внутри (стрелка) и вокруг клетки. Фото: Missen et al. / Presentato et al.
Мы только сейчас начинаем понимать, как микроорганизмы перерабатывают "экзотические" элементы, такие как теллур. Понимание этих "биогеохимических" процессов важно для понимания того, как элементы перемещаются в наших ландшафтах. Затем мы сможем оценить потенциальные риски и разработать эффективные стратегии по их снижению. Это понимание также может помочь в разработке более экологичных технологий добычи (и переработки). По крайней мере, в районе Моктесумы микробы эффективно отделяют золото от теллура в почве. Для того чтобы удовлетворить потребность нашей планеты в более рациональном производстве энергии, потребуются инновационные решения, и очистка переработки продуктов добычи для лучшего разделения всех потенциальных элементов сырья - лишь один из этих способов.
