БАКТЕРИИ ПРОТИВ ПХБ

О том, насколько актуальна проблема обезвреживания полихлорированных бифенилов (ПХБ) — стойких органических загрязнителей и как эту проблему решают уральские химики-органики в сотрудничестве с коллегами-микробиологами, мы подробно писали полтора года назад (см. «НУ», 2018, № 24). Напомним, что хлорорганические соединения синтетического происхождения, «запасы» которых в мире составляют сотни тысяч тонн, относятся ко второму классу опасности (высокоопасные) и входят в так называемую «грязную дюжину». Даже в крайне низких дозах они вызывают рак и другие нарушения в организме человека и животных. По решению Стокгольмской конвенции ПХБ с 2001 г. запрещены к производству, до 2015 должны быть изъяты из эксплуатации и до 2028 г. уничтожены. Российская Федерация подписала конвенцию в 2002 г., в 2011 ратифицировала ее.

Хлорароматические отходы (такие смеси, как «Трихлорбифенил», «Совол», «Делор», «Ароклор» и др.) накоплены не только в емкостях, но давно попали в окружающую среду и прочно там осели. Более того, трансграничный перенос на пылевых частицах привел к тому, что ПХБ обнаруживаются в таких районах планеты, где они никогда не производились и не применялись, например, в Сахаре и Антарктиде.

Как известно, наиболее популярный способ уничтожения чего-либо — это сжигание. Сжечь все запасы ПХБ — и проблема решена! Однако в силу уникальных физико-химических свойств ПХБ (стабильная ароматическая структура с атомами хлора в виде заместителей в молекуле) их сжигание оказалось высоко затратным как с экономической, так и с энергетической позиций. Кроме того, при малейшем нарушении режима сжигания образуются еще более токсичные соединения — полихлорированные диоксины.

По мнению уральских ученых, сегодня наиболее перспективен комбинированный метод минерализации хлорароматических соединений, включающий химическую модификацию ПХБ и последующую микробную трансформацию модифицированных соединений. О химической предподготовке ПХБ, которую осуществляют сотрудники лаборатории фторорганических соединений Института органического синтеза УрО РАН, как уже говорилось, «НУ» подробно рассказывала. Включение в молекулу ПХБ гидрофильных групп позволяет бактериальным штаммам эффективнее разлагать получившиеся соединения, а также использовать их для своего роста и развития. О микробиологической стадии — непосредственном уничтожении производных ПХБ под действием микроорганизмов — мы недавно побеседовали со старшим научным сотрудником лаборатории молекулярной микробиологии и биотехнологии Института экологии и генетики микроорганизмов Пермского ФИЦ УрО РАН кандидатом биологических наук Дарьей Егоровой.

— Благодаря метаболическому потенциалу аэробных бактерий. Это основные природные агенты, осуществляющие трансформацию ПХБ до менее опасных или безопасных соединений. В нашей лаборатории их изучением занимаются на протяжении нескольких десятилетий. Под руководством члена-корреспондента РАН, профессора Виталия Алексеевича Демакова и доктора биологических наук Елены Генриховны Плотниковой из образцов загрязненных техногенными отходами почв выделено более 400 штаммов-деструкторов ПХБ. Они принадлежат к различным таксономическим группам: Achromobacter, Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Cellulomonas, Comamonas, Exiquobacterium, Flavimonas, Isoptericola, Microbacterium, Micrococcus, Pseudomonas, Psychrobacter, Rhodococcus. Большинство из выделенных и описанных бактериальных штаммов разлагают хлорароматические соединения до стадии хлорбензойных кислот. Последние относятся к 4 классу опасности и, значит, менее вредны для окружающей среды и человека, чем ПХБ, которые принадлежат ко 2 классу.

— Оказалось, что это возможно. В ходе наших исследований выделены штаммы родов Rhodococcus и Microbacterium с уникальными свойствами — они способны «съедать» ПХБ, образуя из них воду, углекислый газ и минеральные соединения хлора. Важно, что для процесса бактериальной деструкции не нужно создавать особые условия, требующие значительных экономических и энергетических затрат. Весь процесс протекает при комнатной температуре в естественной атмосфере. В лабораторных условиях эффективность уничтожения отдельных ПХБ названными штаммами достигает 100%, а коммерческих смесей «Делор 103» (аналог «Трихлорбифенила») и «Совол» — 93–99%.

— Чтобы ответить на этот вопрос, сотрудники лаборатории молекулярной микробиологии и биотехнологии ИЭГМ провели серию модельных почвенных экспериментов. Оказалось, что в случае использования стерильной почвы и искусственно внесенного загрязнения бактериальные штаммы эффективно справлялись с высокими концентрациями ПХБ — они разрушали 72,2–96,4% от 1600 ПДК за 90 дней. Несколько ниже были показатели эффективности, если для модели брали почву с территории ОАО «Средне-Волжский завод химикатов» г. Чапаевска, в которой присутствовало 18 ПДК полихлорбифенилов, 538 ПДК линдана, 750 ПДК гексахлорбензола. В этом случае за 90 дней уровень биодеструкции ПХБ составил 75,0–87,5%. Дело в том, что присутствие в почве других загрязнителей, также входящих в группу СОЗ, может тормозить деструктивную активность аэробных бактерий. Поэтому в почве со смешанным типом загрязнения эффективность биодеструкции несколько ниже, чем в почве с одним типом загрязняющих веществ.

— Помимо изучения биодеградативного потенциала мы изучаем генетические и физиологические особенности перспективных в биотехнологическом аспекте бактериальных штаммов. Проведено полногеномное секвенирование трех штаммов, что позволит дать полную характеристику генетических детерминант, обусловливающих уникальные свойства этих штаммов по разложению ПХБ. У ряда выделенных штаммов установлено наличие плазмид биодеградации. Мы изучили локализацию и последовательность генов, кодирующих ферменты окисления полихлорбифенилов. Анализ с привлечением международных баз данных выявил уникальность на генетическом уровне биодеградативных свойств ряда штаммов-деструкторов ПХБ из лабораторной коллекции.

Наши результаты опубликованы в российских и международных высокорейтинговых журналах, а также защищены патентами РФ.

— В 2015 г. мы получили патент «Способ очистки почв, загрязненных полихлорированными бифенилами и другими токсичными соединениями», на основе которого коллеги из ООО «Эмульсионные технологии» собирались внедрить разработки по очистке почв от ПХБ. Однако, к сожалению, активного отклика со стороны потенциальных заказчиков таких работ не встретили. Мы отрабатываем технологии биодеструкции полихлорбифенилов в различных условиях и с применением нескольких бактериальных штаммов. Но назвать конкретные сроки создания промышленной технологии переработки ПХБ с помощью бактерий пока затруднительно.