Scienty

С древнейших времен люди стремятся использовать природные ресурсы для улучшения своей жизни. Среди них, незаметная, но мощная и повсеместно распространенная сила — бактерии. Их мир огромен, а потенциал поистине разнообразен. В настоящее время исследователи открывают для микроорганизмов самые различные полезные применения: начиная от очистки воздуха в городах и заканчивая производством важных медицинских препаратов. О работах российских ученых, которые нашли способ использовать бактерии для решения различных задач сельского хозяйства, медицины, экологии и даже реставрации скульптур, — новая статья «Научной России».

В городах и шахтах: на страже чистоты

Бактерии находят широкое применение в экологических и природоохранных проектах. Исследователи из Новосибирского государственного технического университета НЭТИ разработали интересный проект в этой области: они создали жидкий пылеподавитель, где микроорганизмы выполняют ключевую функцию. Данную жидкость можно использовать на территории города, где она будет способствовать снижению загрязнения от дорожной и строительной пыли. Для применения создатели предлагают добавлять пылеподавитель в резервуары поливочных машин.

Корреспонденту «Научной России» о проекте рассказала руководитель направления «Биогели для санитарно-гигиенического профиля», работающая в рамках программы «Приоритет-2030». Она является младшим научным сотрудником Центра технологического превосходства НГТУ НЭТИ и аспирантом Анна Александровна Пронченко: «Пылеподавитель включает в себя органический биополимер и распространенные почвенные микроорганизмы. Поскольку наш состав при распылении наносится на почву, он должен не только выполнять свои основные функции, но и оказывать дополнительное благотворное воздействие, выступая в роли удобрения».

Принцип действия данного состава основан на простом механизме. Полимер, входящий в состав пылеподавителя, соединяет частицы пыли. Они покрываются тонкой пленкой, которая поддерживается бактериями, и формируются в комки, что препятствует их распространению в воздухе. После этого прибитую к поверхности почвы пыль требуется убрать с использованием стандартного оборудования. Заслуживает внимания тот факт, что микроорганизмы также могут частично потреблять загрязняющие вещества.

«Бактерии, содержащиеся в жидкости, способны поглощать пыль, однако этот процесс протекает медленно и в ограниченных объемах. Поэтому для визуального наблюдения за результатами деятельности микроорганизмов без использования увеличительных приборов потребуется значительное время. Более существенным является то, что они сохраняют и удерживают пленку, окружающую частицы пыли, — уточнила А.А. Пронченко. — После такой обработки рекомендуется удалять пыль и пленку с городских поверхностей с помощью подметальной машины или щетки, а затем утилизировать их. Альтернативным вариантом является применение этого материала в качестве удобрения на прилегающей к дороге территории».

В ходе тестирования было установлено, что разработанный состав демонстрирует высокую эффективность в удалении пыли, что делает его превосходящим по сравнению с водой, которая лишь временно задерживает загрязнения до их испарения.

«Первоначальные испытания проводились в лабораторных условиях. Мы стремились максимально точно имитировать различные погодные условия: создавали искусственный дождь, использовали аэротрубу для имитации ветра, а также моделировали заморозку и оттаивание (в диапазоне температур от −40 °C до +30 °C). Во всех случаях эффективность пылеподавителя сохранялась, воздействие окружающей среды было незначительным. Характеристики покрытия оставались без изменений, — отметила А.А. Пронченко. — После проверки работоспособности состава, было принято решение провести испытания в Кировском районе, имитирующие реальные городские условия. Также была проверена эффективность распыления с помощью беспилотных летательных аппаратов. Полученные результаты оказались положительными. В настоящее время продукт зарегистрирован, имеет паспорт безопасности и полностью готов к применению».

Разработанный пылеподавитель безопасен для окружающей среды и обходится в десять раз дешевле импортных решений, благодаря использованию отечественного сырья. Данная разработка может быть применена не только в городских условиях, но и в шахтах (для которых она и была изначально создана), на промышленных предприятиях, в сельском хозяйстве, на складах, где хранятся сыпучие материалы. Также существует потребность в новом составе на железных дорогах, где при транспортировке угля поездами в атмосферу попадает значительное количество угольной пыли.

«По просьбе клиента в настоящее время наш состав тестируется на воздействии различных загрязнителей, включая строительные смеси, в дополнение к пыли и угля», — сообщила она А.А. Пронченко.

Ученые планируют создать модификацию средства для подавления пыли, предназначенную для использования в северных районах. Данная версия должна сохранять свою эффективность при температуре минус 50 градусов Цельсия. В этих регионах такая технология будет особенно востребована на железных дорогах, где очистка вагонов требует значительных затрат ресурсов.

Микроскопические реставраторы

Сотрудники Архитектурно-строительного института Южно-Уральского государственного университета разработали новаторский метод использования бактерий. Впервые в России, в 2025 году, исследователи применили микроорганизмы для реставрации скульптуры — памятника, посвященного матери, оберегающей детей в трудные военные годы, который установлен в Боровске.

Ремонт монумента ранее требовал повторения каждые два года, что было связано с особенностями его конструкции. Однако, в этот раз для реставрационных работ решили использовать самовосстанавливающийся бетон, созданный исследователями по заказу партнеров из Центра компетенций городской среды. Ключевое отличие нового материала – наличие живого компонента, сенной палочки, для которой в бетон добавлен лактат кальция. Бактерия, потребляя эту органическую подкормку, выделяет особый минерал, который заполняет микротрещины, появляющиеся в памятнике со временем, и препятствует проникновению воды и воздуха, тем самым предотвращая его дальнейшее разрушение.

По мнению исследователей, данная технология позволит более эффективно защищать скульптуры, так как бактерии будут быстро «заделывать» микроскопические дефекты, препятствуя их развитию в крупные трещины. Результаты исследования демонстрируют, что новый бетон восстанавливается в пять раз быстрее, чем обычный: для заживления трещин ему требуется всего десять циклов естественного увлажнения и высыхания вместо пятидесяти. Помимо этого, биополимер, производимый сенной палочкой, увеличивает плотность бетона, что способствует повышению его прочности.

Специалисты ведут мониторинг состояния памятника. Вопреки прогнозам, связанным с применением материалов традиционного состава, инновационный бетон не продемонстрировал ни единой микротрещины в первую неделю после реставрационных работ. Более того, последующие ультразвуковые исследования показали, что плотность отреставрированных участков памятника со временем увеличивается. Исходя из этого, можно сделать вывод, что бактерии эффективно поддерживают состояние скульптуры.

Новая разработка специалистов из Южно-Уральского государственного университета может найти применение и в других областях, включая возведение бетонных дорог, а также ремонт и восстановление зданий.

Группа поддержки для культурных растений

Бактерии являются важной составляющей живого мира нашей планеты, и их присутствие зачастую определяет успешное выживание других организмов, населяющих биосферу. В качестве иллюстрации можно привести пример бактерий, способствующих росту растений ( Plant Growth-Promoting Bacteria, PGP). Именно эти микроорганизмы послужили основой для биопрепарата, предназначенного для поддержки сельскохозяйственных культур и разработанного учеными Уральского федерального университета. Подробности проекта рассказала руководительница проекта, доцент кафедры экспериментальной биологии и биотехнологий УрФУ, кандидат биологических наук Анастасия Сергеевна Тугбаева.

«Концепция исследования возникла в рамках научного направления кафедры, которое посвящено изучению устойчивости растений к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, — сообщила А.С. Тугбаева. — Мы всегда придавали значительное значение влиянию тяжелых металлов, так как именно этот вид загрязнения типичен для Уральского региона. Однако засоление почв, которое также представляет серьезную проблему для агроэкосистем и значительно уменьшает урожайность, требует не меньшего внимания. В связи с этим я решила начать новое направление исследований, посвященное механизмам, позволяющим растениям адаптироваться к засолению».

Засоление представляет собой серьезную проблему для сельского хозяйства во всем мире. Наиболее выраженно эта проблема проявляется в засушливых районах, таких как Австралия, Индия и Казахстан. В России с ней сталкиваются фермеры юга Сибири, Калмыкии и Ставрополья. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, ежегодно сельскохозяйственное производство теряет приблизительно 27 миллиардов долларов из-за засоления почв.

Уральские ученые использовали в качестве основы для биопрепарата бактерии, полученные из ризосферы галофитов — растений, адаптированных к засоленным почвам, таких как морские берега и солончаки. В качестве объекта исследования была выбрана лебеда простертая, произрастающая на соленом озере Атавлы, расположенном в Курганской области.

«В рамках экспедиции мы побывали на семи озерах, расположенных в Челябинской и Курганской областях, включая озеро Атавлы. При выборе озер учитывался уровень и тип минерализации, — пояснила А.С. Тугбаева. — В ходе исследований были определены наиболее распространенные виды галофитов, произрастающих на этих территориях, и проведено их дальнейшее изучение. В настоящее время в рамках проекта рассматриваются восемь видов галофитных растений, что дает возможность сравнить различные способы приспособления к засоленности».

С целью выявления видов бактерий, заселяющих ризосферу галофитов, и оценки их потенциала, биологи применили современные генетические методы. Для характеристики состава микробных сообществ в целом использовали метагеномный анализ, а для идентификации конкретных видов бактерий — молекулярно-генетический.

В ходе работы ученые отобрали ряд перспективных штаммов микроорганизмов. А.С. Тугбаева отмечает, что они выделяют стимуляторы роста растений — фитогормоны, улучшают минеральное питание своих зеленых соседей путем повышения усвояемости азота и фосфатов в почве и делают растения устойчивее к засолению. Отобранные микроорганизмы культивировались в лабораторных условиях, после чего на их основе создали биопрепарат.

«Производство биопрепарата включает несколько этапов. Прежде всего, клетки бактерий культивируются в жидкой питательной среде, — пояснила А.С. Тугбаева. — После этого клетки осаждают центрифугированием, удаляют культуральную среду и корректируют концентрацию с помощью физраствора. Полученная суспензия бактериальных клеток используется для обработки семян перед посевом».

В ходе первичных лабораторных исследований бактериальное удобрение было применено на посевах пшеницы и ячменя, выращенных на почвах с высоким содержанием хлоридов и сульфатов. Полученные данные свидетельствуют о том, что отобранные бактерии могут быть эффективны для поддержки сельскохозяйственных культур, чувствительных к засолению: у обработанных злаков наблюдался более быстрый рост и повышенная устойчивость к неблагоприятным условиям, по сравнению с контрольной группой, растущей без дополнительной помощи».

«Сейчас мы проводим оценку воздействия десяти штаммов бактерий на рост злаковых культур в ходе испытаний двух разновидностей. В первом сценарии исследуется влияние штаммов на растения в период прорастания семян и формирования проростков злаков. Во втором случае препараты проходят испытания в продолжительных экспериментах: растения выращиваются в почве в вегетационных сосудах до фазы созревания семян, — описала А.С. Тугбаева. — Нами было отобрано несколько штаммов, способствующих укреплению корневой системы и вызывающих увеличение биомассы растений в условиях засоленности. Также, при применении биопрепарата зафиксирован рост урожайности пшеницы и ячменя при умеренном сульфатном засолении».

Исследования выполняются при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24–76–10062) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. В будущем предстоит выполнить значительный объем работ.

«По результатам исследований мы намерены оценить воздействие биопрепарата на рост растений в условиях полевых испытаний, — заключила А.С. Тугбаева. — В дальнейшем планируется применение препаратов, созданных на основе бактерий, для обработки сельскохозяйственных и декоративных растений. Однако, прежде чем это станет возможным, необходимо определить оптимальную концентрацию микроорганизмов и убедиться в результативности использования биопрепарата на различных видах растений».

Живые фабрики наноструктур

Бактерии также играют важную роль в производстве ценных магнитных наноструктур, что было установлено российскими учеными. В состав исследовательской группы вошли эксперты из Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ), Томского государственного университета, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и трех учреждений Сибирского отделения РАН: Института физики, Института ядерной физики и Института химии твердого тела и механохимии. Исследования выполнялись при финансовой поддержке Российского научного фонда, а для анализа применялись источники синхротронного излучения.

Исследователи провели анализ двух штаммов микроорганизмов, обнаруженных в сточных водах промышленных предприятий. Один из них — Desulfovibrio sp. A2. Изучения продемонстрировали, что эти бактерии создают биосовместимые наноструктуры, включающие в себя сразу несколько компонентов: железосодержащий минерал вивианит, кристаллические фазы серы и наночастицы ферригидрита. Эти микроскопические образования могут быть полезны в медицинских целях: установлено, что их магнитные характеристики можно точно контролировать, внося небольшие изменения в их локальную атомную структуру. Это позволяет использовать такие наноструктуры для адресной доставки лекарственных средств или для гипертермической терапии опухолей, то есть для их уничтожения посредством повышения температуры. К тому же, бактериальный способ получения наноматериалов обходится дешевле и не предполагает использования токсичных соединений, в отличие от общепринятых химических методов.

Второй штамм, который исследовала научная группа, — Desulfosporosinus sp. OL — продемонстрировал потенциал для применения в экологической сфере. Использование этих бактерий и создаваемых ими магнитных наночастиц позволит эффективно удалять фосфор из сточных вод и промышленных отходов, что важно, поскольку он является ценным ресурсом для производства литиевых батарей, катализаторов и удобрений.

Разлагая, созидать

Ученые из Сибирского федерального университета разработали способ использования бактерий для переработки пищевых отходов и одновременного производства доступных скаффолдов, применяемых для восстановления костных тканей. Эти биосовместимые конструкции используются при серьезных переломах: они размещаются в области поврежденной кости, обеспечивая основу для роста новых клеток.

Для создания каркасов ученые использовали биополимеры – полигидроксиалканоаты (ПГА), которые производятся с помощью специализированных бактерий. Чтобы эти микроорганизмы синтезировали необходимые соединения, их необходимо обеспечивать любыми углеродсодержащими органическими отходами. В качестве питательной среды для бактерий исследователи предлагают использовать, например, отработанный фритюрный жир и рыбные отходы. Это представляется весьма перспективным решением, поскольку их утилизация обычно сопряжена со значительными затратами.

В России для изготовления костных скаффолдов обычно применяются дорогостоящие материалы, импортируемые из-за границы. Однако, использование бактерий и доступных пищевых отходов позволяет значительно сократить стоимость производства имплантатов, примерно в два раза. По словам разработчиков, характеристики полученных каркасов не уступают зарубежным аналогам.

Используя полиглутаминамид, синтезируемый бактериями, ученые создают биополимерные нити.

«В отличие от большинства предприятий, приобретающих готовые нити для 3D-печати, произведенные за рубежом, мы осуществляем собственное производство экструдированной нити, благодаря чему можем изменять ее характеристики в соответствии с конкретными задачами», — приводятся на сайте СФУ слова ассистента базовой кафедры биотехнологии и кафедры медицинской биологии Алексея Евгеньевича Дудаева.

Полученная нить применяется для нанесения требуемой структуры на 3D—принтере. Скаффолды индивидуальны: модель будущего имплантата создается на основе данных, собранных в результате компьютерной томографии места повреждения.

Различные варианты каркасов, созданные исследователями, имели треугольные, квадратные и шестиугольные поры. При этом все они продемонстрировали сопоставимую эффективность в процессе регенерации костной ткани.

Работа была проведена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования (проект № FWES–2021–0025) исследование было выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23–64–10007) и Красноярского краевого фонда науки (грант № 20231107–06132). В будущем планируется применять данную технологию в экологической сфере, в частности, для создания биоразлагаемой упаковки.

Бактерии против бактерий

В качестве альтернативного решения рассматриваются бактерии, способные эффективно бороться с вредоносными микроорганизмами. Ученые из инжинирингового центра «Промбиотех» Алтайского государственного университета выделили именно такие микроорганизмы, подавляющие активность различных патогенов птиц.

Штамм RCAM06423 вида Bacillus atrophaeus обнаружили в птичьей подстилке в одном из фермерских хозяйств. Оказалось, что эта разновидность бактерий эффективно подавляет развитие разнообразных болезнетворных грибков и микроорганизмов. При этом она устойчива к широкому диапазону температур и хорошо адаптируется к условиям среды. Изученные микроорганизмы сохраняют чувствительность к воздействию стандартных антибиотиков, поэтому их использование не грозит появлением штаммов, резистентных к препаратам. И это не все: данные бактерии также активно производят амилолитические ферменты, улучшающие переваривание птицами корма. Исследователи отмечают, что их находка может не только снизить зависимость хозяйств от антибиотиков, но и повысить продуктивность и безопасность агропромышленных производств.

Источники

Комментарии А.А. Пронченко

Комментарии А.С. Тугбаевой

ЮУрГУ. Екатерина Больных. Ученые из Южно-Уральского государственного университета впервые в России применили бактерии для реставрации памятника

УрФУ. Анна Маринович. Сотрудники биологического факультета УрФУ разработали биопрепарат, способствующий росту сельскохозяйственных культур

ЦКП СКИФ (официальный сайт). Специалисты СКИФ изучили характеристики наноматериалов, созданных бактериями и представляющих интерес для применения в медицине и экологической сфере

СФУ. Специалисты Сибирского федерального университета разработали костные имплантаты, используя отработанные материалы

«Наука.РФ». В Алтайском государственном университете разработали штамм бактерий, который может служить альтернативой антибиотикам

Фото на главной странице: freepik / фотобанк Freepik

Фотография на предварительном просмотре: Владимир Мартьянов / УрФУ

Источники изображений в тексте: Вероника Жарковская / пресс-служба НГТУ НЭТИ, из личного архива А.А. Пронченко, Александр Непомнящих / пресс-служба НГТУ НЭТИ, wirestock / фотобанк Freepik, Анастасия Мавренкова / УрФУ, Владимир Мартьянов / УрФУ, brgfx / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik.