Новости

Хром активно применяется в промышленности. В металлургии он ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость, также полезен при выделке кож, изготовлении защитных покрытий, пигментов и многих других процессах.    В различных соединениях хром может находиться в степенях окисления от II до VI, но высшая очень ядовита. В России в год образуется более 4 тонн выбросов, содержащих хром VI, что приводит к нарушению биохимических процессов в окружающей среде и несет опасность для живых организмов. С целью снижения его негативного воздействия чаще всего проводят процесс его восстановления до третьей степени. Для этого применяют не только различные химические соединения, но и культуры микроорганизмов, которые способны уменьшить токсичность путем биохимических превращений. Ученые Пермского Политеха выделили культуру бактерий, которая по сравнению с конкурентами выдерживает более высокие концентрации хрома VI и быстрее восстанавливает его до хрома III. Статья с результатами опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».    Гальванические цеха машиностроительного производства, кожевенная промышленность, изготовление антикоррозийных сплавов и хромсодержащих пигментов приводят к большим выбросам, содержащим хром высокой степени окисления. Ионы хрома VI – это наиболее опасные экотоксиканты. Они способны накапливаться в живых организмах, вызывать аллергические реакции и оказывать канцерогенное действие.    Снижение степени окисления хрома до третьей значительно уменьшает токсичное воздействие металла на окружающую среду. Химические реагенты, которые обычно используются для такого восстановления, отличаются неэкологичностью, агрессивностью и дороговизной. Решить эту проблему можно биохимическим методом, а именно с помощью культуры бактерий, которая способна снизить степень окисления хрома VI в растворах.    Ученые Пермского Политеха выделили и вырастили свою культуру микроорганизмов – Red. Cr. Она способна на 96% редуцировать ионы хрома VI, то есть подвергать их обратному процессу окисления. По сравнению с аналогами, полученная культура выдерживает более высокие концентрации хрома VI (до 500 мг/дм3) и быстрее восстанавливает его до хрома III. Из природного источника (почвы, отобранной рядом с гальваническим предприятием) политехники получили культуры бактерий, способные расти при наличии в питательной среде ионов хрома VI. Из нескольких выделенных выбрали одну, которая показала наибольшую устойчивость к токсичному действию вещества.    "Мы проверили культуру на возможность расти при высоких концентрациях ионов хрома VI. Оказалось, они способны выдерживать до 500 мг/дм3. Далее проверили бактерии на эффективность снижения степени окисления в растворах при разных условиях. Эксперименты показали, что на процесс восстановления влияют концентрации ионов хрома VI, источники углеродного питания и температура", – рассказала студентка кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Дана Завьялова.    Наивысшая степень восстановления (96%) вне зависимости от температуры достигается при концентрации ионов хрома VI 30 мг/дм3. При 50 мг/дм3 и температуре 32°С степень окисления снижается до 85%. Дальнейшее повышение температуры и концентрации вещества ослабляет действие микроорганизмов, и восстановление проходит уже хуже и медленнее. "Сам биохимический процесс происходит в биореакторе, где выделенная нами культура бактерий Red. Cr восстанавливает ионы хрома VI с последующим образованием осадка в виде гидроксида хрома III. При использовании концентрации вещества 30 мг/дм3 длительность процесса занимает 14 суток, а при 50 мг/дм3 – 28 суток. По сравнению с некоторыми конкурентными хромвосстанавливающими культурами действие нашей происходит быстрее при равных условиях", – поделилась кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Мария Соколова.    Исследование ученых Пермского Политеха полезно предприятиям машиностроительного, кожевенного, металлургического, горнодобывающего и химического производства. Выделенная культура микроорганизмов позволит эффективно снизить негативное влияние хромосодержащих веществ на окружающую среду.

Удивительные свойства анаммокс-бактерий, способных поглощать ионы аммония и нитрита, превращая их в безвредный молекулярный азот, уже более 10 лет успешно используются для биоочистки – это и сточные воды животноводческих, сельскохозяйственных, коммунальных комплексов, и фильтраты полигонов ТКО, иловые воды, стоки пищевой промышленности.     Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН с коллегами из ИФХЭ РАН открыли четыре новых анаммокс-бактерии в холодных подземных водах вблизи поверхностных хранилищ урановых шламов в Удмуртии. Уникальные свойства новых микроорганизмов, которые можно будет использовать для промышленных нужд, подробно описаны в статье в Journal of Environmental Management.    Один из ключевых микробных процессов в круговороте азота – окисление аммония нитритом в бескислородной среде, так называемый "анаммокс". Процесс анаммокс широко распространен в природе. В результате его действия образуется большая часть атмосферного азота, а в морских экосистемах – почти половина от общего объема производства молекулярного азота в океане. Бактерии, осуществляющие этот процесс, были открыты в самом конце XX века и вскоре стали применяться в промышленных системах очистки сточных вод от азотного загрязнения - при очистке фильтрационных вод полигонов твердых коммунальных отходов, иловой воды метантенков, стоков пищевой промышленности и других.    Сейчас известно более 22 видов анаммокс-бактерий. Они были обнаружены как в природной среде обитания (пресноводные водоемы, моря, горячие источники), так и в антропогенных местообитаниях (сооружения очистки сточных вод). До недавнего времени считалось, что в подземных местообитаниях анаммокс-бактерии не играют существенной роли, их численность и разнообразие низки. Однако последние исследования показывают, что сообщество анаммокс-микроорганизмов, обитающих в грунтовых водах, например, в загрязненных интенсивным сельским хозяйством или богатых такими опасными соединениями, как мышьяк, разнообразны. И большинство из них являются новыми видами, мало похожими на ранее описанные.    Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с научными сотрудниками института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН исследовали микробное сообщество в экосистеме подземных вод с высоким уровнем антропогенного загрязнения азотом (нитратом и аммонием) и низкой круглогодичной температурой (7-8 °C). Исследование проводилось вблизи поверхностного хранилища радиоактивных отходов Чепецкого механического завода (г. Глазов, Удмуртия, Россия). Эти поверхностные захоронения радиоактивных отходов начали заполняться в середине 1960-х годов и к настоящему времени существенно изменили экосистему близлежащих подземных вод за счет утечки растворимых компонентов этих отходов, в основном, таких как нитратов, аммония, сульфатов, урана и железа.    «Мы отобрали пробы из верхнего слоя подземных вод с глубины 10 метров из двух скважин с различным уровнем и типом химического загрязнения. В обеих скважинах (более и менее загрязненных азотом) было выявлено микробное сообщество, в котором в изобилии присутствуют азотпреобразующие микроорганизмы и, что удивительно, доминируют анаммокс-бактерии», – рассказывает первый автор статьи, описывающей новое исследование, Юрий Литти, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН.    С помощью метагеномного анализа ученые обнаружили в загрязненной низкотемпературной подземной среде новое сообщество анаммокс-микроорганизмов. Филогенетический анализ и сравнение геномов подтвердили открытие 4-х совершенно новых и ранее не изученных анаммокс-бактерий: нового рода Ca. Frigussubterria, нового вида Ca. Kuenenia и двух штаммов нового вида Ca. Scalindua. Новые бактерии были названы в честь местообитания, где они были обнаружены.    Представители Ca. Kuenenia glazoviensis и Ca. Frigussubterria udmurtiae в большом количестве обитали на менее загрязненном азотом участке, в то время как Ca. Scalindua chemeplantae были обнаружены в обеих скважинах, что показывает их лучшую адаптацию к высокому загрязнению. Далее предстояло определить, какие гены у новых бактерий ответственны за метаболизм азота. В дополнение к основному метаболизму анаммокса был также проведен поиск потенциально уникальных метаболических путей, связанных с особой адаптацией бактерий к условиям загрязнения и температурного режима.    Анализ геномов выявил, что обнаруженные анаммокс-микроорганизмы обладали генами адаптации к холоду, детоксикации реактивного кислорода, а также были способны восстанавливать нерастворимые оксиды железа или марганца. В новых анаммокс-бактериях были также обнаружены гены утилизации мочевины, ассимиляционного восстановления сульфатов, восстановления нитратов до аммония и, предположительно, арсенатного дыхания.    «Открытие сразу четырех новых анаммокс-организмов не только само по себе значительно расширяет функциональное и филогенетическое разнообразие анаммокс-бактерий, но и улучшает общее понимание круговорота азота в местах с сильным загрязнением и низкими температурами. В дальнейшем уникальные свойства этих микроорганизмов можно будет применять для промышленных нужд», – поясняет результаты исследования Юрий Литти.    Такие сообщества анаммокс-бактерий могут быть использованы как для совершенствования процессов биоочистки сточных и подземных вод от азота, так и позволят разработать эффективные подходы для биоремедиации сильно загрязненных территорий in situ.