Некоторые виды микроорганизмов эволюционировали, чтобы выживать в суровых условиях, даже в тех, которые ранее считались слишком экстремальными для поддержания жизни.
К ним относятся такие среды, как шахты и промышленные стоки, богатые тяжелыми металлами. Известно, что воздействие на человека токсичных уровней металлов, таких как кадмий и ртуть, приводит к риску для здоровья, включая рак и повреждение многих органов. Тяжелые металлы вызывают повреждение клеток в результате конкуренции с основными металлами за жизненно важные места связывания белков или через окислительный стресс, который может повредить ДНК и другие клеточные компоненты. В связи с увеличением загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами после промышленной революции растет потребность в эффективных методах восстановления.
Биоремедиация тяжелых металлов
Биоремедиация - это использование естественных или специально введенных организмов для потребления и расщепления загрязнителей окружающей среды и очистки загрязненного участка. Микроорганизмы используются для крупномасштабной биоремедиации с 1960-х и 1970-х годов, когда исследователи впервые начали использовать смеси бактерий для ликвидации разливов нефти. Хотя до сих пор многие исследования были посвящены биоремедиационным возможностям отдельных видов, некоторые исследования показали, что смешанные культуры микроорганизмов могут иметь больше преимуществ. В последнее время исследование роли микробов в биоремедиации тяжелых металлов стало темой, представляющей значительный интерес в связи с дороговизной и токсичностью других методов ремедиации.
Понимание того, как микробы выдерживают воздействие концентраций тяжелых металлов, токсичных для человека и других организмов, является основополагающим для разработки эффективных методов биоремедиации. В то время как большинство бактерий выработали определенные механизмы устойчивости к металлам, металлофилы (любители металлов) приспособились выживать в чрезвычайно высоких концентрациях. Это позволяет им избежать токсического воздействия, которое обычно приводит к гибели клеток в результате окислительного повреждения и связывания неоптимальных кофакторов металлов с участками связывания белков.
Существует несколько механизмов, с помощью которых микробы могут выдерживать высокие уровни металлов:
Секвестрация: клетки могут использовать компоненты клеточной стенки, такие как экзополисахариды или сидерофоры, для секвестрации токсичных металлов и/или внутриклеточных металлсвязывающих белков (например, металлотионеинов), чтобы смягчить отравление тяжелыми металлами и ослабить супероксидный стресс.
Конверсия: ферменты преобразуют металлы в более безвредные формы, которые могут быть либо менее токсичными, либо менее биодоступными, либо и то, и другое (например, восстановление до нерастворимых форм).
Эффлюкс: системы эффлюкса снижают внутриклеточные концентрации определенных металлов.
Применение металлофилов в биоремедиации
Металлофилы охватывают 3 домена микроорганизмов: бактерии, грибы и археи. Соответственно, представители всех трех групп были оценены на предмет потенциала биоремедиации.
Бактерии
Механизмы толерантности бактерий к металлам интенсивно изучаются с 1970-х годов. Открытие "бактериального алхимика" Cupriavidus metallidurans на бельгийской цинковой фабрике в 1976 году, а затем в биопленках на золотом руднике в Австралии, стало революционным и привело к поиску других металлофилов. C. metallidurans не является истинным "алхимиком" (превращающим металлы в золото), поскольку он использует уже имеющееся золото для осаждения твердых наночастиц золота, но его можно использовать для деконтаминации сточных вод, содержащих тяжелые металлы. Этот микроорганизм подтвердил, что бактерии активно участвуют в биогеохимическом круговороте редких и драгоценных металлов, и с тех пор используется в качестве модельного организма для исследований металлофилов.
Кроме C. metallidurans было обнаружено множество других бактериальных металлофилов, и некоторые из них также были использованы для биоремедиации тяжелых металлов. Одним из примеров является биоремедиация свинца в почве с помощью Rhodobacter sphaeroides путем осаждения инертных соединений, включая сульфид и сульфат свинца. Токсичность свинца вызывает нарушение развития, кратковременную потерю памяти и сердечно-сосудистые заболевания у людей. Источники загрязнения включают этилированный бензин, свинцовые трубы и промышленные процессы, и загрязнение свинцом остается серьезной проблемой, особенно в развивающихся странах со старыми зданиями, в которых все еще много материалов, содержащих свинец.
Грибы
Поскольку среди них много металлофильных видов, которые легко растут в различных средах обитания, грибы также обладают огромным потенциалом для удаления тяжелых металлов из наземной и водной среды. Было показано, что грибок бурой гнили (Gloeophyllum sepiarium) через 6 месяцев снижает уровень токсичного хрома IV в почве до нетоксичной формы хрома III на 94%. Повторное воздействие высоких уровней хрома может привести к повышению риска возникновения рака, уменьшению количества клеток крови и повреждению почек у человека. Хром присутствует во многих продуктах питания, но его уровень зависит от концентрации в почве и воде, используемых для их производства. Он часто выщелачивается в почву и водные пути из таких источников, как гальваника, кожевенное дубление и текстильная промышленность.
Грибок бурой гнили (Gloeophyllum sepiarium). Источник: Quartl/Wikimedia
Морская среда - еще одна среда, где грибы могут быть использованы для биоремедиации. Морские отложения, содержащие Aspergillus niger и Trichoderma sp., показали значительно более высокое биовыщелачивание (процесс в горнодобывающей промышленности, при котором металлы извлекаются из низкосортной руды с помощью микроорганизмов) мышьяка, цинка и кадмия, чем при использовании традиционных химических методов или бактериальных видов. Эти металлы встречаются в природе. Однако их уровень в воде и почве может быть повышен в результате антропогенной деятельности, а воздействие на человека может привести к повышению риска развития рака, дисфункции желудочно-кишечного тракта, анемии и нарушению функции легких и почек.
Археи
Известно, что археи процветают в экстремальных условиях, поэтому неудивительно, что в этом домене было выявлено множество металлофильных видов. Например, Methanobacterium bryantii, устойчивый к меди метаноген, выделяет медьсвязывающие белки, чтобы уменьшить негативное воздействие высокотоксичного металла на себя и обитателей своей экосистемы. Медь естественным образом содержится в почве и воде в низких концентрациях, но антропогенная деятельность, такая как добыча меди для производства "чистой" энергии (например, солнечной, гидро-, тепловой и ветровой энергии), может привести к попаданию токсичных уровней меди в местные источники воды.
Pyrobaculum islandicum, анаэробный гипертермофил, может восстанавливать несколько токсичных металлов, включая уран, хром и кобальт, до их менее токсичных форм. Эти металлы встречаются в природе, а кобальт даже является необходимым микроэлементом для человека, поскольку он требуется для правильного функционирования ферментативного кофактора кобаламина (витамина B12). Однако на горнодобывающих и производственных объектах почва и вода могут быть загрязнены токсичными уровнями этих металлов, что может привести к негативным последствиям для здоровья, включая заболевания сердца и печени, у населения, использующего эти источники воды.
Другие потенциальные роли металлофилов
Пробиотики
Человек может подвергаться воздействию токсичных уровней тяжелых металлов через пищу, воду, продукты и окружающую среду. Поскольку не все из этих потенциальных путей воздействия можно безопасно уменьшить, еще одной областью исследования является биоремедиация в организме человека. Учитывая склонность некоторых представителей человеческой микробиоты к метаболизму металлов, была выдвинута гипотеза, что пробиотики могут быть использованы в качестве стратегии детоксикации металлов в организме человека.
Например, штаммы лактобацилл, часто используемые в качестве пищевых добавок, могут содержать плазмиды, способствующие связыванию тяжелых металлов на поверхности клеток. Было установлено, что штамм Lactobacillus rhamnosus GR-1 защищает беременных от дальнейшего повышения уровня ртути и мышьяка. Недавно было установлено, что другая пробиотическая бактерия, Pediococcus acidilactici GR-1, снижает уровень тяжелых металлов в крови людей, занятых в металлургической промышленности, за счет модуляции микробиоты кишечника, в частности, за счет обогащения видами Blautia и Bifidobacterium.
Восстановление редкоземельных металлов
Редкоземельные металлы (скандий, иттрий и лантаноиды) используются во многих современных высокотехнологичных продуктах благодаря своим электромагнитным, каталитическим и оптическим свойствам. Однако их трудно выделить из-за схожих химических свойств, а существующие методы выделения экологически токсичны и энергетически невыгодны. Цианобактерии, такие как Nostoc sp. 20.02, недавно были идентифицированы как мощные биосорбенты редкоземельных металлов, что может значительно снизить затраты и опасности, связанные с существующими методами разделения, поскольку цианобактерии легко выращиваются и не требуют сильно кислых или щелочных условий или применения экологически токсичных химикатов.
Nostoc commune. Источник: Wikipedia.
Способность микроорганизмов выживать в местах с высокой концентрацией металлов свидетельствует об их невероятной приспособляемости. Эти виды и сообщества представляют собой ценный ресурс для ремедиации металлов во всех типах окружающей среды. Некоторые ограничения существующих методов биоремедиации включают длительное время акклиматизации, изменение эффективности биоразложения изолята и образование осадка.
Последние достижения в области микробной генной инженерии предоставляют исследователям захватывающую возможность редактировать рост металлофильных микробов или генерировать металлофилов из других микробов. Эти усовершенствования способны преодолеть существующие ограничения методов биоремедиации и предоставить промышленным компаниям решение для минимизации их негативного воздействия на окружающую среду.
