ФРОНТ РАБОТ ДЛЯ АКТИНОБАКТЕРИЙ

— Для биотехнологического применения особенно перспективны почвенные и водные актинобактерии, или актиномицеты — такое название они получили из-за способности формировать ветвящиеся нити, напоминающие мицелий. Они обладают высокой устойчивостью к тяжелым металлам, способны к окислительной трансформации углеводородов и занимают доминирующее положение в экосистемах, особенно в условиях нефтяного загрязнения, всегда сопряженного с присутствием тяжелых металлов. Воздействие загрязнителей в концентрациях, не вызывающих гибель этих микроорганизмов, активирует механизмы их клеточного метаболизма. Это может проявляться в защитно-приспособительных реакциях бактерий на повышенные концентрации нефтяных углеводородов и металлов, например, в выраженных изменениях формы бактериальных клеток — увеличении или уменьшении их линейных размеров, изменении рельефа клеточной поверхности, образовании клеточных конгломератов. На поверхности этих бактерий мы обнаружили множественные полифункциональные структуры — шишковидные выросты, назначение которых пока неясно. По-видимому, они обеспечивают контактное взаимодействие между клетками, удержание их в биопленках и прикрепление к субстратам, а также, возможно, защиту от хищников (простейших) и передачу информации между клетками («эффекты кворума»). Эти пока загадочные специ-фические придаточные образования могут быть связаны и с транспортом молекул ДНК при горизонтальном переносе генов между неродственными организмами. Такие клеточные контакты способствуют эффективной коммуникации и позволяют формировать своеобразную «кооперативную клеточную систему», которая помогает бактериям адаптироваться к неблагоприятным экологическим ситуациям.

 Некоторые актиномицеты могут снижать концентрацию тяжелых металлов путем внеклеточного взаимодействия с полимерными веществами и аккумуляции в клеточных органеллах, что позволяет им не только «комфортно» существовать в загрязненных средах, но и успешно обезвреживать высокотоксичные вещества антропогенного происхождения. Особое место среди таких устойчивых к техногенному стрессу микрорганизмов занимают аборигенные актиномицеты, так называемые родококки. Используя альтернативные источники углерода, они способны полностью разлагать сложные органические соединения и очищать почвы от различных загрязнителей. Основные преимущества использования родококков в биотехнологических процессах — полифункциональность, то есть способность трансформировать органические соединения практически всех известных классов, экологическая пластичность, отсутствие патогенных свойств, бактериальный характер роста (в отличие от грибов).

Для подбора бактериальной ассоциации из чистых непатогенных культур, поддерживаемых в широко известной Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН, ученые проанализировали 711 штаммов и оценили их устойчивость к тяжелым металлам: кадмию, кобальту, марганцу, меди, молибдену, мышьяку, никелю, ртути, свинцу, хрому и цинку. Были отобраны три наиболее устойчивых к ним бактериальных штамма. В качестве твердого носителя пермские микробиологи использовали доступные отходы деревообрабатывающей промышленности — древесные опилки. Применение природных материалов в процессе биоремедиации снижает риск токсичности: после завершения очистки такие материалы легко утилизировать, не нанося вреда открытой экосистеме.

В результате многочисленных лабораторных экспериментов специалисты разработали и запатентовали эффективный бактериальный консорциум из родококков разной таксономической принадлежности. Эти микроорганизмы обладают удивительной способностью поглощать и накапливать в своих клетках тяжелые металлы. Как показали исследования, в течение 12 недель они очищают техногенный грунт от мышьяка, кадмия, хрома, меди, железа, марганца и свинца на 50−60 %, а от молибдена — на 50−90 %. Содержание остаточных нефтепродуктов после второго этапа биоремедиации снизилось до четырех раз по сравнению с исходными показателями.

Ученые подобрали оптимальные условия и разработали практические рекомендации по использованию комбинаций активных штаммов и растений-ремедиантов, которые также помогают в очистке загрязненных грунтов.

Новая биотехнология имеет значительные пре-имущества по сравнению с аналогами. Эффективность удаления тяжелых металлов с использованием предложенного бактериального консорциума составляет 70−100 %, тогда как у аналогов этот показатель колеблется в пределах 30−80 %. Консорциум может быть использован в 3−4 циклах очистки, в то время как многие аналоги работают только в 1−2 циклах. Не требуется ежедневно добавлять препарат в очистные сооружения, что значительно упрощает процесс очистки. В консорциуме отсутствуют патогенные микроорганизмы — это минимизирует риски для окружающей среды и здоровья человека.

Академик И.Б. Ившина особо подчеркнула, что инновационную биотехнологию разработали молодые ученые лаборатории алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН, в том числе аспирантка Пермского государственного национального исследовательского университета Анастасия Голышева, проект которой был поддержан в числе победителей конкурса «УМНИК» по программе «Старт».

— Благодаря тесному взаимодействию нашего академического института с кафедрой микробиологии и иммунологии, созданной в университете еще в 1994 г. по инициативе академика В.А. Черешнева, у нас почти ежегодно обновляется кадровый состав за счет молодых специалистов, — отметила Ирина Борисовна. — Все научные сотрудники лаборатории алканотрофных микроорганизмов — одновременно внештатные преподаватели этой вузовско-академической кафедры и участвуют в системной подготовке микробиологов по схеме: школа, лицей или колледж — университет — аспирантура Пермского ФИЦ УрО РАН или ПГНИУ. Благодаря такой преемственности образования и науки мы располагаем дополнительными помощниками в лице аспирантов, студентов, лицеистов и можем находить людей, приверженных научно-экспериментальной работе.

По словам И.Б. Ившиной, интерес к проекту уже проявила частная компания «Природа-Пермь» — монополист в области экологического бизнеса в крае. Потенциальные потребители разработанного продукта — предприятия деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а также компании, осуществляющие утилизацию отходов и рекультивацию техногенно нарушенных земель: Пермская целлюлозно-бумажная компания, металлургические заводы, «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», «Камский кабель» и другие. Сотрудники лаборатории алканотрофных микроорганизмов ПФИЦ УрО РАН имеют большой опыт внедрения своих разработок и поддерживают тесные многолетние связи со многими компаниями экологического бизнеса, среди которых ООО «Природа-Пермь», ООО «Гидротехнологии Сибири» (Иркутск), ООО «Восток» (Киров), «ИТЕРСЭН-плюс» (Мытищи).