Как микроорганизмы удаляют радиоактивные отходы?
Радиоактивные элементы испускают спектр ионизирующих излучений, которые вредят человеку.
К счастью, многочисленные виды экологических микроорганизмов обладают целым рядом биофизических и биохимических защитных свойств, которые могут помочь. Эти защитные механизмы позволяют определенным микроорганизмам противостоять радиоактивным излучениям и защищают нас от радиационного поражения, рака и других заболеваний, возникающих в результате воздействия радиоактивных отходов на человека. Рассмотрение источников и характерных свойств радиоактивных отходов поможет объяснить механизмы, с помощью которых эти бактерии противостоят стихии и защищают нас от заболеваний.
Радиоактивные отходы поступают из многих источников, включая военные производства (например, производство ядерного оружия), добычу урана, стоки электростанций, медицинские и исследовательские лаборатории. Радиоактивные отходы наполнены стойкими нестабильными элементами или радионуклидами, которые при распаде испускают ионизирующее излучение. Радиоактивные элементы не имеют стабильных изотопов, имеют большой молекулярный вес и относятся к таким группам, как актиниды. Они нестабильны, поскольку их атомы спонтанно распадаются, испуская частицы и энергию при переходе в более стабильные формы. Например, за миллиарды лет радиоактивные элементы уран (U) и торий (Th) распадаются на радий (Ra) и радон (Rn) соответственно. Во время этого процесса распада радиоактивные элементы испускают ионизирующее излучение. Энергия, выделяемая при этом процессе, настолько сильна, что отрывает электроны от атомов и молекул, ионизируя их. В достаточно высоких дозах это ионизирующее излучение вызывает повреждение клеток живых тканей и органов. Хотя эти соединения имеют множество полезных применений в научных исследованиях, медицине и промышленности, радиоактивные отходы могут быть очень разрушительными, если их не изолировать и не утилизировать должным образом или не изолировать.
Бактериальная биоремедиация
Хотя существует множество способов утилизации радиоактивных отходов, биологические методы, а именно биоремедиация с помощью бактерий, являются предпочтительными, поскольку они более экологичны, чем другие методы.
За более чем миллиард лет существования на планете бактерии выработали искусные и разнообразные подходы к минерализации, метаболизму и иному преобразованию вредных соединений в безвредные побочные продукты. Поскольку вредное ионизирующее излучение исходит от самого атома, преобразование радиоактивного соединения в другую молекулу не устранит пагубного воздействия. Тем не менее, из мест радиоактивных отходов был выделен целый микробиологический кладезь. Как же им удается там выживать?
Микроорганизмы, используемые для биоремедиации радиоактивных отходов, демонстрируют толерантность или устойчивость к радиоактивности и даже могут обезвредить токсическое воздействие радиоактивных отходов путем секвестрации радиоактивных элементов через процессы биосорбции и биоминерализации или через прямые и косвенные окислительно-восстановительные преобразования.
Биоредукция радионуклидов
Посредством общего метаболического процесса восстановления проблемные радиоактивные элементы, такие как плутоний или уран, в целевых отходах могут быть осаждены, что облегчает их сбор и утилизацию. Микроорганизмы инактивируют некоторые радионуклиды, присоединяя к ним электроны и переводя радионуклиды из растворимого в нерастворимое состояние. Осажденные радионуклиды все еще радиоактивны, но они не переносятся в растворы, т.е. в грунтовые воды, так же легко, как их растворимый аналог.
В окислительных средах кислород используется в качестве акцептора электронов при микробном дыхании, в результате чего образуется H2O. Однако при росте в аноксической среде микробы используют для дыхания альтернативные акцепторы электронов, включая радиоактивные элементы. Этот тип дыхания использует энергетически благоприятные акцепторы электронов в последовательности, диктуемой окислительно-восстановительным потенциалом среды. Таким же образом различные радиоактивные элементы используются бактериями. Окисленные формы радиоактивного элемента восстанавливаются, становясь акцепторами электронов для микробов, использующих анаэробное дыхание.
Ниже описаны три категории восстановления: прямое, косвенное и генно-биоинженерное восстановление.
Прямое восстановление
Добавление электронов путем прямого восстановления происходит, когда микроорганизм использует окисленную форму непосредственно в качестве акцептора электронов в анаэробном дыхании. Например, микробы Geobacter metallireducens GS15 и Shewanella oneidensis восстанавливают окисленный растворимый плутоний Pu(VI/V) до восстановленной нерастворимой формы Pu(IV).
Косвенное восстановление
Косвенное восстановление происходит, когда микроорганизм использует нерадиоактивный элемент в качестве акцептора электронов, но восстановленный элемент, образующийся в результате анаэробного дыхания, предоставляет электроны для последующего восстановления радиоактивного элемента в этой микронише. Например, железистые [Fe(III)]-редуцирующие бактерии G. metallireducens и S. oneidensis восстанавливают уран U(VI) косвенным образом через анаэробный рост. Нерастворимые формы радионуклидов затем легче перерабатывать для технологий химического и физического удаления отходов, поскольку они уменьшают общий объем отходов.
Генно-инженерная биоредукция
Устойчивые к радиации бактерии могут быть генетически сконструированы для метаболизма радиоактивных отходов. Deinococcus radiodurans может противостоять чрезвычайно высоким концентрациям радиоактивности благодаря мощным антиоксидантам и усиленному механизму восстановления ДНК. Это делает D. radiodurans привлекательным кандидатом на роль ремедиатора для рекультивации хранилищ радиоактивных отходов. Например, этот микроб был сконструирован для экспрессии гена merA кишечной палочки, который кодирует редуктазу ионов ртути. Экспрессируя эту редуктазу, D. radiodurans может преобразовывать токсичные ионы ртути [Hg (II)] в элементарную ртуть, которая менее вредна для человека и легче перерабатывается при утилизации отходов. Такие стратегии применимы и к другим загрязняющим веществам, которые смешиваются с радиоактивными отходами, а также к самим радионуклидам.
Биоминерализация/биопреципитация
Бактерии также могут удалять радионуклиды из своей среды путем биоминерализации/биопреципитации. В данном контексте биоминерализация относится к нерастворимой кристаллизации металлов, процессу осаждения металлов с помощью лигандов, таких как сульфиды, карбонаты, фосфаты и гидроксиды, которые ферментативно образуются в микробной клеточной стенке.
В одном исследовании штамм D. radiodurans был реконструирован с помощью phoN - гена Salmonella enterica, кодирующего неспецифическую кислую фосфатазу, которая высвобождает неорганический фосфат из комплексных фосфатов на поверхности клетки. Освобожденные фосфаты могут впоследствии минерализовать уран. Так, рекомбинантный штамм D. radiodurans был способен осаждать более 90% урана из раствора уранилнитрата за 6 часов, обеспечивая основу для масштабной рекультивации радиоактивных отходов в загрязненных водоемах.
Грамотрицательные факультативные анаэробы, такие как Serratia spp., и другие виды микроорганизмов, выделенные из природных сред, включая ураноносные почвы, также могут биоминерализовать и осаждать уран. Поиск микроорганизмов природного происхождения, обладающих способностью биоминерализовать радионуклиды, дает больше возможностей для биотехнологических усовершенствований с помощью молекулярных инструментов.
Биосорбция
Биосорбция, третья стратегия, которую микробы используют для ремедиации радиоактивных отходов, включает поверхностную адсорбцию и процесс внеклеточного комплексообразования, который, в отличие от биоминерализации, может быть обращен вспять. Это может позволить поместить собранные отходы в хранилище.
Поверхность бактериальных клеток покрыта различными отрицательно заряженными группами (например, фосфатами, сульфидами), которые притягивают и удаляют радиоактивные металлы из окружающей среды. Благодаря этому процессу некоторые штаммы Pseudomonas могут внутриклеточно связывать ионы урана и тория. Биосорбция радионуклидов на поверхности микробных клеток облегчает удаление радионуклидов из отходов и предотвращает радиоактивную утечку и миграцию ядерных отходов в грунтовые воды. Низкоконцентрированные радиоактивные металлические отходы, обнаруженные в сточных водах промышленных и исследовательских объектов, поддаются восстановлению методом биосорбции.
Биоаккумуляция
Распределение веществ по микрокарманам микробного "пальто" - это один из способов взглянуть на биоаккумуляцию, четвертую стратегию биоремедиации радиоактивных отходов. Биоаккумуляция подразумевает накопление радиоактивных отходов внутри бактериальной клетки. Некоторые ионы металлов, включая радиоактивные, структурно схожи с необходимыми элементами для роста бактерий.
Выгодным побочным эффектом этой молекулярной мимикрии является то, что микробы поглощают радиоактивные ионы из окружающей среды. Например, некоторые виды Pseudomonas накапливают уран в виде уранилфосфатов. Поскольку уран не имеет известной физиологической функции внутри клетки, поглощение урана, вероятно, связано с естественной проницаемостью мембраны. Другие микробы, такие как Arthrobacter nicotianae, Micrococcus luteus, Citrobacter sp. N14 и Bacillus megaterium, также являются биоремедиаторами радиоактивных отходов посредством биоаккумуляции (например, M. luteus, B. subtilis и B. megaterium накапливают Th при выращивании в растворе Th и U).
Повторное использование радиоактивных отходов
Поскольку некоторые радиоактивные элементы распадаются очень долго (период полураспада урана-238 составляет примерно 4,5×109 лет), было бы желательно повторно использовать радиоактивные отходы, полученные в результате бактериального концентрирования этих элементов. Подходы к повторному использованию радиоактивных отходов все еще находятся на ранних стадиях исследований, но один из методов основан на использовании поверхностного слоя, или S-слоя, Bacillis sphaericus.
S-слои - это паракристаллические поверхностные структуры, присутствующие у большинства бактерий и почти у всех архей. Белки S-слоя обычно составляют до 15% всех белков клетки, хотя у подвидов B. sphaericus содержание белков S-слоя еще выше - до 20%. B. sphaericus, выделенный из отходов добычи урана, обратимо связывает радиоактивные металлы в своем S-слое, и ученые обнаружили, что дополнительная поверхностная оболочка может использоваться как для восстановления, так и для повторного использования радионуклидов в альтернативных источниках энергии.
Чтобы оптимизировать эту стратегию, микробиологи разработали фильтр, в котором S-слой B. sphaericus используется для улавливания ионов урана из почвы и водных радиоактивных отходов. Затем уран и другие собранные металлы перерабатываются для использования в нанотехнологиях и новых катализаторах.
Микробы прекрасно справляются с очисткой радиоактивных отходов, и ученые используют этот потенциал для совершенствования наших методов удаления стойких, коварных материалов из окружающей среды. Соответствующие исследования включают проведение метагеномных исследований некультивируемых микроорганизмов, растущих на участках, загрязненных радиоактивными отходами, для определения количества и идентичности генов, кодирующих ферменты, ответственные за микробные стратегии, которые связывают радиоактивные элементы.
Новые достижения в омике также позволяют раскрыть микробную физиологию и метаболические функции микробных сообществ на этих участках. Омика включает в себя исследования метагеномики, транскриптомики и метаболомики в сочетании с современными высокопроизводительными инструментами секвенирования. Вычислительный анализ данных микробной экологии, наряду с использованием конструкций биореакторов, может способствовать разработке методов, помогающих рекультивировать участки территорий с разнообразными радиоактивными отходами.
Микробная биоремедиация использует комплексные методы, сочетающие физические и химические подходы, и комбинацию технологий (т.е. фито- и микоремедиацию) для улучшения ремедиации разнообразных радиоактивных отходов. Биоремедиация - это экологически чистая и экономически эффективная технология удаления радиоактивных отходов. Открытие большего количества механизмов, используемых бактериями на местах ядерных отходов, позволит микробиологам направить этих бактериальных союзников на удаление и переработку радиоактивных отходов.
