Микробная жизнь процветает в экстремальных и негостеприимных условиях, включая радиоактивные среды.
От атомных электростанций до мест хранения радиоактивных отходов - эти условия представляют собой уникальные вызовы и возможности для микробной жизни. Цель этого обзора - пролить свет на недавние открытия и последствия изучения микроскопических обитателей этих радиоактивных пространств.
Радиорезистентность наблюдается у широкого круга организмов, однако точное эволюционное происхождение этого сложного фенотипа остается нерешенным вопросом. Было предложено четыре возможных теории появления радиационной резистентности:
(i) она основана на белках, которые возникли у предков-гипертермофилов,
(ii) она возникла случайно после адаптации к засушливым условиям,
(iii) она имеет межпланетное происхождение, или
(iv) это уникальное молекулярное отражение устойчивости ранней Земли, поскольку большой массив данных свидетельствует о том, что радиация была движущей силой во время химической и ранней биохимической эволюции.
Например, вокруг зерен ураносодержащего апатита в ранних архейских образцах, образовавшихся более 3,85 миллиарда лет назад, были зафиксированы углеродные оболочки. Также, например, в связи с тем, что богатые марганцем ниши с повышенным уровнем естественного ионизирующего излучения (IR) являются одним из наиболее заметных признаков отложений, расположенных на глубине 20-100 метров под морским дном, примечателен тот факт, что бактерии, близкородственные Deinococcus geothermalis, были успешно выделены из глубоких океанических подповерхностных сред (68-118 метров под морским дном).
Кроме того, важно отметить, что после крупного протерозойского повышения содержания кислорода в атмосфере 2,3 млрд лет назад, уран, нерастворимый в воде в анаэробных условиях, впоследствии стал легко растворимым в воде в присутствии кислорода. Таким образом, следствием появления кислорода в сочетании со способностью бактерий к выщелачиванию стало естественное возникновение на Земле ядерных "реакторов", содержащих сложную микробиоту. Подсчитано, что около 100 миллионов реакторных площадок по типу Окло могли быть активными в прошлом (Природный ядерный реактор в Окло — урановое месторождение Окло в Габоне, в которых около 1,8 млрд лет назад происходила самопроизвольная цепная реакция деления ядер урана. В настоящее время реакция прекратилась из-за истощения запасов изотопа 235U подходящей концентрации - Источник: Википедия). Типичный природный ядерный реактор с радиусом активной зоны в два метра имеет суммарную мощность дозы 47,4 Гр/ч (грей - единица дозы ионизирующего излучения, прим.ред.).
Радиоактивные отходы - серьезная глобальная проблема, и поиск эффективных и экономичных методов нейтрализации или удаления этих загрязнителей имеет первостепенное значение. Микроорганизмы с соответствующими метаболическими способностями предлагают перспективные решения актуальных проблем. Каким образом IR-резистентные бактерии могут обеспечить экологически безопасные решения для биоремедиации урана и какие факторы определяют их эффективность? Как использование инновационных подходов к протеотипированию способствует более глубокому пониманию микробных сообществ, процветающих в "экстремальных" средах, таких как хранилища радиоактивных источников? Как микроорганизмы играют ключевую роль в глубоких геологических хранилищах, потенциально влияя на безопасность хранения радиоактивных отходов? Что исследование геномов IR-устойчивых прокариот может рассказать об их адаптивных стратегиях в ответ на вызовы окружающей среды? Какие механизмы лежат в основе впечатляющей сопротивляемости микробных сообществ в ядерных реакторах, когда они сталкиваются с долгосрочными перепадами условий? Эти и другие вопросы рассматриваются в пяти статьях, представленных в данном обзоре.
В статье Martínez-Rodríguez et al. изучалась способность Microbacterium sp. Be9 к биоминерализации урана (U), при которой U осаждается с помощью лигандов, таких как фосфат (P), в зависимости от наличия или отсутствия различных источников P. В этом исследовании подчеркивается биотехнологический потенциал штамма Be9 для биоремедиации U, демонстрирующий его двойную способность как осаждать, так и солюбилизировать радионуклиды в различных условиях окружающей среды.
В исследовании Pible et al. были получены метапротеомные данные, которые сравнивались с общепринятой базой данных, что позволило получить представление о таксономии (Acidovorax, Caulobacter и Sphingomonas) и метаболизме микробных компонентов в биопленках, собранных из хранилища радиоактивных источников на ядерном объекте. В этом исследовании был представлен новый подход к дистанционному отбору проб биопленок, а также новаторская методика обработки данных МС/МС-спектров, полученных после выделения белков. Кроме того, исследование продемонстрировало, что метапротеомика позволяет напрямую анализировать микробный состав биопленки, используя всего 0,02 мг материала, и представляет собой ценный инструмент для протеотипирования.
Обзор Ruiz-Fresneda et al. предлагает понимание того, как микроорганизмы вблизи глубоководных геологических хранилищ (ГГХ) могут влиять на их безопасность, в частности через взаимодействие радионуклидов с микроорганизмами, что потенциально повышает эффективность планируемых хранилищ радиоактивных отходов. Значение данного исследования заключается в признании наличия микроорганизмов естественного происхождения в материалах для заполнения и герметизации, таких как бентонитовая глина, которые вступают в прямой контакт с металлическими канистрами, содержащими радиоактивные отходы. Бактериальные сообщества в бентонитах, таких как Opalinus, Boom и испанская глина, и их потенциальная активность требуют рассмотрения после закрытия ГГХ.
Shin et al. исследовали геном Deinococcus radiopugnans DY59, обнаружив в общей сложности 36 элементов инсерционных последовательностей (IS) из шести семейств IS, включая пять неклассифицированных IS-элементов. Исследование было сосредоточено на активной транспозиции во время кратковременного окислительного стресса, индуцированного обработкой 80 мМ перекисью водорода (H2O2). Элементы ISDrpg2 и ISDrpg3 из семейства IS4 транспонировались в ген синтеза каротиноидов (QR90_10400), вызывая потерю пигментации. DY59 показал высокую минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) в 300 мМ H2O2. Уровни экспрессии каталазы и регуляторов семейства LysR были оценены с помощью количественной ПЦР с обратной транскрипцией в реальном времени (qRT-PCR), что позволило понять реакцию этой бактерии на окислительный стресс.
Van Eesbeeck et al. исследовали микробное сообщество в исследовательском ядерном реакторе BR2 в Моле (Бельгия), который циклически подвергается фазам эксплуатации и остановкам, что приводит к изменению условий в водном бассейне. Используя секвенирование ампликонов 16S рРНК, авторы исследования обнаружили отличительные микробные профили во время циклов. Несмотря на разрыв в 1 год между отборами проб, возникали схожие закономерности, указывающие на стабильность системы в течение 2 лет. Исследование связало эти микробные сдвиги с физико-химическими изменениями. Кроме того, радиация была связана с уменьшением количества клеток, в то время как температура оказывала противоположный эффект. Микроорганизмы, по-видимому, адаптировались, используя хемоавтотрофию и перерабатывая мертвые клетки в условиях дефицита питательных веществ.
Эти исследования представляют собой интереснейшие примеры жизнедеятельности микроорганизмов в радиоактивных средах, раскрывая их удивительную адаптивность и взаимодействие с окружающей средой. Изучая микробиологию радиоактивных сред, мы не только получаем более глубокое представление об удивительной устойчивости жизни на Земле, но и получаем ценные знания, которые могут найти применение в биотехнологии, биоремедиации и астробиологии. Этот рубеж микробной жизни напоминает нам об удивительной адаптивности и стойкости жизни, призывая нас изучать и уважать сложное взаимодействие между микроорганизмами и местами их обитания.
