Бактерии в Питтсбурге приспособились питаться отходами металлургии

В американском Питтсбурге, бывшем центре металлургии США, на месте старых заводских цехов появляются жилые кварталы и лаборатории. Один из крупнейших проектов — территория Хейзелвуд-Грин площадью 72 гектара на берегу реки Мононгахила. Больше ста лет здесь работали предприятия Jones & Laughlin Steel, давая миллионы тонн стали для мостов, железных дорог и техники. Но век непрерывного производства оставил после себя отравленную землю: участок перешел в категорию браунфилдов — территорий, дальнейшее использование которых невозможно без очистки от токсичных веществ.

Пока инженеры снимают верхние слои грунта под новое строительство, биологи из Университета Карнеги — Меллона, чья лаборатория стоит всего в трех километрах от Хейзелвуд-Грин, занялись глубиной. Они обнаружили, что в отравленной почве все это время шла скрытая биологическая жизнь. Местные бактерии за десятилетия приспособились к тяжелым ядам и научились использовать их как источник питания.

Чтобы понять, с чем столкнулись микроорганизмы, нужно разобрать состав металлургических отходов. При выплавке стали требуется кокс — продукт переработки каменного угля при высоких температурах без доступа воздуха. Коксование и перегонка сопутствующих смол выделяют огромное количество химических соединений. Самую опасную их часть составляет группа летучих органических веществ, которую экологи обозначают аббревиатурой БТЭК: бензол, толуол, этилбензол и ксилол с его изомерами. Все это ароматические углеводороды, в основе структуры которых лежит бензольное кольцо из шести атомов углерода. Из-за равномерного распределения электронной плотности разорвать такое кольцо обычным химическим путем крайне сложно — соединения годами сохраняются в почве и грунтовых водах, не разлагаясь под действием света, воздуха или влаги.

Для человека и большинства животных эти вещества смертельно опасны. Бензол разрушает кроветворную систему и вызывает лейкемию, толуол и ксилол поражают центральную нервную систему, почки и печень. Попадая в обычную почву, углеводороды растворяют липиды, из которых состоят внешние оболочки живых клеток. Для большинства природных микроорганизмов это означает быструю гибель.

В одном грамме чистой садовой или лесной почвы обычно живет от одного до десяти миллиардов микроорганизмов, принадлежащих к тысячам видов. Они перерабатывают опавшую листву и отмершую древесину, превращая сложные органические соединения в доступные для растений элементы. Основой их питания служат сахара, белки и простые углеводы. Когда в почву Хейзелвуд-Грин начали попадать промышленные растворители, масла и коксохимические отходы, равновесие нарушилось: большинство обычных бактерий погибло от токсического повреждения оболочек и остановки клеточного дыхания. Остались редкие клетки со случайными генетическими мутациями, позволившими пережить контакт с химикатами.

Но устойчивость к яду была лишь первым шагом. Для размножения бактерии нужен углерод — основной строительный материал для клеточных стенок, белков, ферментов и ДНК. В нормальных условиях его берут из растительных остатков или органических кислот. Однако на глубине металлургического завода под слоем строительного мусора и шлака никаких растительных остатков не было. Единственным доступным источником органического углерода оказались сами загрязнители.

У выживших бактерий сработал естественный отбор. Среди миллионов погибших микроорганизмов единичные штаммы обладали редкими белками-ферментами — оксигеназами. Эти ферменты присоединяют молекулы кислорода к устойчивому бензольному кольцу, ослабляют связи между атомами углерода и расщепляют кольцо на простые цепочки. Полученные обломки клетка направляет в обычный цикл обмена веществ, получая из токсина энергию и материал для строительства собственного тела. Для микробов в этом процессе нет этической окраски: они не «очищают планету», они просто едят единственное вещество, доступное в окружающей среде.

В бактериальном мире полезные свойства передаются намного быстрее, чем у высших организмов. Бактериям не нужно ждать сотен поколений — они способны передавать части генетического кода напрямую соседним клеткам других видов через небольшие кольцевые молекулы ДНК, плазмиды. Именно в них записываются инструкции для производства ферментов, разрушающих токсины. За десятилетия ген устойчивости и переработки яда распространился по всему подземному сообществу Хейзелвуд-Грин.

Команда микробиологов Карнеги — Меллона решила изучить эту структуру досконально. Чтобы добраться до бактерий, исследователи используют бурение кернов: полая металлическая труба вбивается в землю и извлекает цилиндрический столб грунта длиной в несколько метров, сохраняющий порядок залегания пластов. Верхние слои — чистый насыпной грунт, привезенный строителями. Глубже — слои второй половины двадцатого века, а на самом дне керна — земля начала прошлого столетия, когда завод только начинал работать.

После извлечения керна возникает техническая проблема. Классическая микробиология требует вырастить бактерию в пробирке или на чашке с питательным агаром, но в лабораторных условиях удается культивировать не более одного процента всех существующих в природе микроорганизмов. Остальные девяносто девять процентов в стандартных средах не растут и погибают. Чтобы обойти это ограничение, исследователи применили метагеномное секвенирование:

• образец загрязненной почвы берут с определенной глубины керна;
• химическими реагентами разрушают все бактериальные клетки в образце;
• из смеси выделяют всю содержащуюся в ней ДНК;
• высокопроизводительные секвенаторы считывают последовательности генетического кода всех микроорганизмов сразу, создавая единый цифровой массив.

Специальное программное обеспечение разделяет этот массив на отдельные фрагменты и определяет, какие виды бактерий живут в грунте и какие гены присутствуют в их ДНК. Главной задачей биоинформатиков был поиск генов, отвечающих за производство оксигеназ. Сопоставив данные архивных карт завода с полученными последовательностями, ученые увидели прямую закономерность: чем выше была концентрация химикатов в конкретном месте пятьдесят или семьдесят лет назад, тем больше специализированных генов деградации токсинов содержится в ДНК современных почвенных микробов на этой глубине.

Наличие гена указывает лишь на потенциальную способность производить фермент. Чтобы доказать, что бактерии действительно уничтожают ядовитые вещества, потребовался прямой эксперимент. Микробиологи выделили живые культуры из образцов грунта и применили методику минимальной питательной среды. В лабораторные колбы наливают дистиллированную воду со строго отмеренным количеством минеральных солей — источников азота, фосфора, калия и магния. Добавлять глюкозу, сахарозу, дрожжевой экстракт, аминокислоты или любые другие стандартные органические соединения категорически запрещено: в такой воде нет ни единого атома углерода, и обычная бактерия быстро гибнет от истощения. Затем в герметичную колбу вносят единственный источник углерода — токсичное вещество высокой степени очистки: чистый бензол, толуол, этилбензол или ксилол. Колбы помещают в инкубатор при постоянной температуре и перемешивании. Если раствор мутнеет, это однозначно указывает на рост числа бактериальных клеток.

Помутнение подтверждает строгий научный факт: микроорганизм выжил исключительно за счет поглощения добавленного токсина. Бактерия захватывает молекулу бензола или толуола, расщепляет ее ферментами внутри клетки и включает освобожденный углерод в состав собственных белков и клеточных стенок. В процессе дыхания опасный канцероген превращается в безвредный углекислый газ, воду и растущую массу бактерий.

Выделение и ручная проверка каждого микроорганизма пипетками занимают недели работы лаборантов, а количество видов в почве огромно. Чтобы ускорить процесс, исследователи объединили усилия со специализированной роботизированной лабораторией AI Science Foundry. Примечательно, что она расположена на территории комплекса Бейкери-Сквер — еще одного бывшего питтсбургского промышленного участка, прошедшего очистку несколько лет назад. Здесь рутинные операции выполняют автоматические манипуляторы:

• роботы вносят бактериальные культуры в пластиковые микропланшеты с сотнями крошечных ячеек;
• в каждую ячейку автоматически дозируется определенная концентрация загрязнителя и минеральной среды;
• оптические сканеры каждый час измеряют прозрачность каждой лунки, фиксируя точную скорость роста популяции;
• газовые хроматографы измеряют концентрацию токсина в воздухе над лункой, подтверждая, что вещество именно расщепляется микробами, а не испаряется.

Параллельно ученые создали открытую компьютерную программу BTEXgenie — специализированную поисковую систему для ДНК. Алгоритм просматривает расшифрованные геномы бактерий и ищет участки кода, кодирующие ферменты для расщепления бензола и толуола. Благодаря этому исследователи больше не проверяют все бактерии подряд: сначала компьютер анализирует последовательности и указывает на конкретные штаммы с высокой вероятностью нужных механизмов, затем роботизированный комплекс проверяет только их. Если бактерия подтверждает свойства, данные возвращаются в программу, улучшая точность следующих прогнозов.

Проблема загрязнения промышленных территорий актуальна для сотен городов по всему миру. До сих пор инженерная практика решала ее двумя методами, и у каждого есть принципиальные недостатки. Первый — механическая выемка грунта: экскаваторы выкапывают тысячи кубометров отравленной земли и увозят на полигоны опасных отходов. Это требует огромных затрат на транспортировку и работу тяжелой техники, но главное — сам химикат не уничтожается, загрязнение просто перемещают из одного района в другой. Второй метод — изоляция участка: отравленную почву запечатывают сверху слоем глины, геотекстильными мембранами, щебнем или бетоном, насыпают плодородный слой и высаживают траву. Это дешевле, но опасные вещества остаются в грунте навсегда. Со временем защитные мембраны разрушаются, и токсины просачиваются в глубинные водоносные горизонты, попадая в колодцы и реки.

Биологическая очистка — биоремедиация — предлагает иной подход: разрушение молекул токсинов прямо в грунте без перемещения земляных масс. Однако классическая биоремедиация часто терпела крах при переходе из лаборатории на реальный объект. Ученые брали стандартные лабораторные штаммы, хорошо разлагавшие бензол в стерильных колбах, и вносили их в загрязненную почву на улице. В девяноста процентах случаев бактерии быстро погибали от высокой кислотности или щелочности грунта, солей тяжелых металлов, перепадов температур и давления со стороны местных микроорганизмов.

Штаммы из Хейзелвуд-Грин принципиально отличаются от выращенных в лаборатории. Они сформировались в результате реального отбора в сложной и агрессивной среде, десятилетиями жили в присутствии не одного чистого химиката, а смеси из десятков токсичных веществ, тяжелых металлов и машинных масел. Они приспособлены к сезонным колебаниям климата Пенсильвании и умеют конкурировать с другими микроорганизмами за воду и жизненное пространство.

Исследование открывает путь к созданию технологий естественной очистки сложных промышленных зон. Зная, какие именно виды бактерий расщепляют опасные углеводороды и какие гены обеспечивают этот процесс, экологи могут применять методы направленной стимуляции местных почвенных микроорганизмов. Вместо завоза искусственных штаммов специалисты могут стимулировать рост уже имеющихся в почве устойчивых бактерий: через специальные скважины в загрязненные слои подают минеральные соли, воду и кислород, необходимые микробам для дыхания. Получив нужные элементы, автохтонные микроорганизмы начинают стремительно размножаться и перерабатывать накопленные запасы бензола, толуола и ксилола прямо на месте, не требуя раскопки территории.

Изучение микробных популяций Хейзелвуд-Грин показывает, что загрязненные промышленные территории — не просто мертвые зоны техногенного ущерба, а источники специализированных биологических адаптаций. В ответ на разрушительное химическое воздействие природные сообщества бактерий выработали эффективные молекулярные механизмы нейтрализации. Расшифровка этих механизмов с помощью метагеномного секвенирования и роботизированного анализа позволяет превратить накопленные за столетие отходы металлургии в инструмент экологического восстановления территорий.

По материалам: iXBT