Передний край

— 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.

Графен (наноразмерная форма углерода) имеет широкий потенциал для применения в науке и технике. Однако его синтез весьма трудоемок и ресурсозатратен, и поэтому сегодня чаще используются более простые в изготовлении вещества, обладающие сходными свойствами.

Такие материалы могут быть получены, в том числе, методом лазерного пиролиза органических соединений, имеющих в своей химической структуре углеродные кольца. Впервые этот метод был открыт в 2014 г. коллективом под руководством профессора Тура в ходе экспериментов по воздействию излучения углекислотного лазера на полиимидную пленку. Первооткрывателями конечный продукт был назван лазерно-индуцированным графеном.

Он обладает разупорядоченной пористой трехмерной структурой и активно исследуется в целях создания на его основе различных датчиков, фильтрующих и антиобледеняющих покрытий, миниатюрных устройств хранения электроэнергии. Одной из его важных физических характеристик является смачиваемость  — ведь обычно различные формы углерода слабо смачиваются водой. Однако лазерно-индуцированный графен часто проявляет сильные гидрофильные свойства, что обусловлено его морфологией, химической структурой и адсорбированными газами. Сделать его гидрофобным можно, например, путем создания особого водоотталкивающего рельефа поверхности, либо в результате лазерного пиролиза в специальной газовой среде без доступа кислорода.

— Это «коренные» штаммы, которые входят в состав нормальной микрофлоры организма. Они длительно пребывают, или, как говорят микробиологи, персистируют в организме хозяина и выполняют важную функцию в его метаболизме (обмене веществ) и в защите от возбудителей инфекций.

— Основная задача пирохимической технологии — переработка ОЯТ малой выдержки с большим энерговыделением, что позволяет существенно сократить масштабы хранения ОЯТ перед его переработкой. Мы используем для этого расплавленные соли — хлориды лития, калия и их смеси. Солевые расплавы очень стойки к радиационному воздействию и позволяют работать с высокоактивным ОЯТ. В процессе пирохимической переработки из ОЯТ выделяются наиболее радиоактивные продукты деления, и в очищенную смесь на стадиях фабрикации и рефабрикации нового топлива вводится обедненный уран. При этом самые долгоживущие радиоактивные вещества в составе регенерированного топлива (минорные актиниды) возвращаются в реактор, где происходит их сжигание.

Оценка состояния и динамики современного биоразнообразия в горных экосистемах в условиях наблюдаемых климатических изменений и усиливающегося антропогенного воздействия на природу Арктики — фундаментальная научная проблема. О подходах к ее решению рассказала «НУ» ведущий научный сотрудник, руководитель группы геоботаники и сравнительной флористики отдела флоры и растительности Севера, кандидат биологических наук Елена Патова:

— Объект нашего изучения — почвенные водоросли и цианобактерии биологических почвенных корок мерзлотных почв Урала. Это автотрофные организмы, которые способны к фотосинтезу, как и высшие растения. Цианобактерии также являются ведущей группой азотфиксаторов (микроорганизмов, усваивающих молекулярный азот воздуха) в наземных экосистемах. Это важные компоненты почвенной биоты, обеспечивающие ее дыхание и поступление органического вещества в почвы. Особенно значительна их роль в горных регионах и в Арктике. Здесь на нарушенных и оголенных грунтах, образующихся на обширных площадях в результате мерзлотных процессов, водоросли и цианобактерии обеспечивают условия для восстановления растительности и служат основной пищей для разно-образных групп почвенных беспозвоночных животных.

— Приведу цифры. О ВИЧ-инфекции известно уже более 40 лет. За это время болезнь распространилась на все страны мира, вирус иммунодефицита заразил более 85 миллионов человек, ежегодно выявляют до 1,5 миллионов новых случаев. По данным ЮНЭЙДС (Объединенной программы ООН по ВИЧ/СПИД) в 2022 году позитивный ВИЧ-статус имели 39 миллионов человек, из них 1,5 миллиона — дети в возрасте до 14 лет. Свыше 40 миллионов уже умерли от болезней, сопутствующих СПИД.

— Ему приходится сталкиваться с проявлениями горного давления, выделением горючих и ядовитых газов, прорывами подземных вод. Также широко известно, что чем глубже опускаешься в недра Земли, тем там теплее. На самом деле температура с увеличением глубины растет не слишком быстро: в среднем на два градуса каждые 100 метров. Но на сегодня глубина ведения горных работ на ряде предприятий уже перевалила за один километр, что даже при невысоком темпе роста температуры приводит к превышению допустимых правилами безопасности +26 °C. Например, сейчас в Норильском промышленном районе завершен первый этап строительства самого глубокого рудника в Евразии, там достигнута отметка в 2 100 метров. Температура горных пород на такой глубине — +54 °C. Поскольку пространство шахты сильно ограничено, воздух стремится принять температуру окружающих его пород. Помимо этого в выработках работает мощная техника с электрическими приводами и двигателями внутреннего сгорания, также выделяющая большое количество тепла.

Исследования с целью разработки электрохимических устройств на основе ТОТЭ и ТОЭ начались в институте еще в 1960-е гг. Именно здесь был создан первый в Европе стек киловат-тного класса, он успешно прошел испытания, но не был доведен до промышленного образца из-за наступившего кризиса. Возобновились работы только в 2008 г. во многом благодаря сотрудничеству с крупнейшим индустриальным партнером — ГК «Росатом», а также совместным работам с ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», и теперь выходят на новый уровень.

Электрохимические устройства на ТОТЭ и ТОЭ, преобразующие химическую энергию топлива непосредственно в электричество и обратно, имеют много преимуществ. Благодаря высокой рабочей температуре их эффективность максимальна по сравнению с любыми прочими источниками тока и достигает 60 % по электричеству. Особенно эти устройства эффективны там, где есть высокопотенциальное тепло, например, на атомных электростанциях, газоперекачивающих агрегатах и газотурбинных электростанциях. Электрохимические генераторы на ТОТЭ «всеядны» — в качестве исходного топлива в них могут использоваться природный газ, спирты и многое другое, к тому же они достаточно экологически чистые. Электрохимические установки на ТОТЭ перспективны для использования в распределенной энергетике, они незаменимы там, где требуются автономные источники электрической и тепловой энергии, прежде всего в удаленных от линий электропередач районах.