Тяжелые металлы представляют собой вещества, представляющие угрозу для окружающей среды и человеческого здоровья. Наиболее часто встречающиеся из них — ртуть, свинец, цинк, кадмий и селен — отнесены к веществам первого класса опасности. Загрязнение этими элементами является актуальной проблемой современности, особенно в промышленных районах, где тяжелые металлы попадают в атмосферу и почву в составе выбросов предприятий. Ученые Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук предложили передовой метод борьбы с токсичной угрозой. В качестве решения они обратились к природным механизмам: для удаления тяжелых металлов и других загрязнителей из различных сред предлагается использовать бактерии. О микробных ассоциациях, применяемых для биоремедиации сточных вод, и других разработках уральской команды — в новой статье «Научной России».
Попадая в почву, тяжелые металлы со временем взаимодействуют с другими соединениями и проникают в растения и почвенные организмы, оказывая негативное влияние на их существование. Воздействие этих элементов на здоровье человека может приводить к ослаблению иммунной и нервной систем, снижению физической выносливости и развитию онкологических заболеваний. Тяжелые металлы плохо выводятся из живых клеток, так как, попав в организм, они включаются в метаболические процессы, замещая необходимые компоненты обмена веществ — щелочные и щелочноземельные металлы. Использование непатогенных бактерий для очистки от тяжелых металлов является наиболее безопасным и эффективным способом решения этой проблемы.
В мае 2024 года ученые из Института экологии и генетики микроорганизмов, входящего в состав Федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук, оформили патент на новую микробную ассоциацию, разработанную для удаления тяжелых металлов из сточных вод RU2818318C1). Для удаления загрязнений исследователи выбрали два безопасных штамма микроорганизмов — Gordonia paraffinivorans ИЭГМ 735 и Rhodococcus ruber Для ИЭГМ 560 кандидаты были отобраны посредством тестирования образцов, взятых из Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН.
Новый бактериальный консорциум демонстрирует более высокую эффективность по сравнению с другими методами биоочистки, основанными на использовании микроорганизмов, обеспечивая 100% результативность очистки. В мае 2025 года на общем собрании Российской академии наук председатель УрО РАН Виктор Николаевич Руденко назвал этот проект одним из наиболее перспективных исследований регионального отделения.
Оба штамма, входящие в состав нового бактериального консорциума, являются актиномицетами. Такое наименование они получили благодаря способности создавать разветвленные нити, схожие с грибницей (мицелием). Актинобактерии представляют собой многообещающих союзников человека в экологической сфере, так как они, как правило, устойчивы к воздействию тяжелых металлов и способны к переработке углеводородов, что позволяет использовать их для решения проблем, связанных с загрязнением нефтепродуктами. Это является отдельным направлением исследований сотрудников ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН. Ученых особенно интересует род актиномицетов – родококки (один из штаммов в новом консорциуме как раз принадлежит к нему): помимо удаления тяжелых металлов из окружающей среды, они эффективно разлагают не только углеводороды, но и множество других опасных органических соединений.
Авторам проекта, аспиранту, корреспонденту «Научной России» рассказали об особенностях новой разработки Анастасия Анатольевна Голышева, кандидат биологических наук Людмила Викторовна Литвиненко и заведующая лабораторией алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН доктор биологических наук, академик Ирина Борисовна Ившина, руководит институтом, где проводятся исследования в сфере биовосстановления с использованием бактерий.
«В лаборатории алканотрофных микроорганизмов ПФИЦ УрО РАН уже длительное время изучают влияние тяжелых металлов, характеризующихся высокой токсичностью и способностью к биоаккумуляции, с целью создания более эффективных технических решений для биологической очистки окружающей среды от этих загрязнителей. По словам исследователей, они изучили устойчивость распространенных почвенных и водных бактерий к таким тяжелым металлам, как ртуть, кадмий и свинец (принадлежащих к первому классу опасности), а также медь, никель и хром. В высоких концентрациях все эти металлы оказывают крайне негативное воздействие на живые организмы. На основе проведенных исследований толерантности к этим тяжелым металлам и способности к их инактивации (преобразованию в менее токсичные соединения) у актиномицетов родов Gordonia и Rhodococcus был разработан консорциум непатогенных бактерий, пригодный для очистки сточных вод промышленных предприятий, загрязненных тяжелыми металлами. На основе подобранных штаммов нами был создан эффективный биокатализатор: система “клетка — носитель”, то есть живая бактериальная клетка, закрепленная (иммобилизованная) в матрицу или на поверхности носителя».
Чтобы ввести бактерии, выполняющие очистку, ученые выбрали древесные опилки. Это обусловлено их распространенностью и низкой стоимостью.
«Выбор материала-носителя для бактерий зависит от поставленных целей. При биоремедиации территорий, загрязненных тяжелыми металлами, обычно используют материал, доступный в данном регионе. В Пермском крае, где лесные массивы занимают 70% территории, это, как правило, отходы деревообрабатывающих предприятий, отметили разработчики.
Разработка новой технологии началась благодаря усилиям молодых специалистов из лаборатории, занимающейся изучением алканотрофных микроорганизмов. В 2022 году А.А. Голышева предложила свой проект на конкурсе «УМНИК», который поддерживает талантливую молодежь. Она стала одним из победителей и получила грант для продолжения исследования.
«Предложенная методика отличается экономичностью, универсальностью и высокой эффективностью при работе со сложными загрязнениями, — заявили разработчики. Они отметили, что она обладает рядом достоинств:
- интеграция с носителем: бактерии фиксируются на древесных опилках, что позволяет сформировать биопленку с высокой плотностью (до 10 10 клеток/г) и эффективность очистки от металлов до 100%, в отличие от традиционных систем (с показателями 60–85%);
- экономически выгодный носитель: древесные опилки – это экономичный, пористый и распространенный в данной местности материал, использование которого позволяет сократить расходы по сравнению с синтетическими аналогами;
- высокая устойчивость бактериальной ассоциации, данные штаммы демонстрируют характеристики, превосходящие многие аналоги: они способны выдерживать воздействие тяжелых металлов в значительных концентрациях, таких как кадмий (до 160 миллимолей на литр) и ртуть (до 1,25 миллимолей на литр);
- универсальность: данная технология может использоваться для очистки сточных вод, почв и атмосферного воздуха (процесс биофильтрации)».
Добавление микробного препарата в очистные сооружения не требует ежедневного повторения, что упрощает технологический процесс. Использование в составе смеси исключительно безопасных бактерий позволяет минимизировать потенциальные угрозы для здоровья людей и состояния окружающей среды.
По словам ученых, проинтервьюированных «Научной Россией», актинобактерии применяют определенные механизмы для противодействия тяжелым металлам. Биоремедиация, использующая бактерии для очистки от тяжелых металлов, представляет собой процесс, в ходе которого микроорганизмы изменяют, фиксируют или удаляют токсичные металлы из загрязненной среды, например, почвы или воды. В отличие от органических загрязнителей, тяжелые металлы не подвергаются разложению, поэтому бактерии используют альтернативные методы, в частности:
- биосорбция: бактерии поглощают металлы на клеточной стенке посредством химической связи;
- биоаккумуляция: внутриклеточно у бактерий происходит накопление металлов;
- биотрансформация: бактерии изменяют химическую форму металлов, переводя их в менее токсичные или менее подвижные соединения (восстановление ионов ртути Hg2+ до Hg0; ионов хрома Cr6+ до Cr3+);
- биопреципитация: бактерии производят соединения, такие как сульфиды, которые осаждают металлы, образуя с ними нерастворимые соединения».
В процессе очистки тяжелые металлы либо выводятся из окружающей среды (например, за счет сбора биомассы бактерий), либо остаются в ней, но трансформируются в стабильные, менее опасные соединения.
«По словам авторов проекта, при недостаточной численности местной микрофлоры применяется биоаугментация – добавление в среду специально подобранные бактериальные штаммы, предназначенные для борьбы с загрязнением.
Очистка находится под пристальным контролем: в ходе биоремедиации специалисты отслеживают изменения в концентрации металлов, физиологической активности бактерий и физико-химических параметрах среды. Для размещения консорциума бактерий используется специальный биореактор, в котором создаются оптимальные условия, способствующие их активной деятельности.
«Бактерии находятся в биореакторе (или в цепочке реакторов) с неподвижной или мобильной загрузкой, — уточнили исследователи. — Опилки служат пористым материалом с обширной поверхностью, способствующим адсорбции бактерий и загрязнителей. Это обеспечивает устойчивость консорциума и предохраняет его от смыва. Использование биореактора обусловлено возможностью непрерывного контроля рабочих параметров (температуры, рН-процессы, степень аэрации, плотность биомассы), а также эксплуатировать систему в холодные сезоны года. В биореакторе следует поддерживать оптимальные параметры: температуру 25–32 °C (экстремумы снижают бактериальную активность), pH (оптимальный диапазон кислотности составляет 6–8, требуются аэробные условия и влажность 80–90%. При недостатке сточных вод в состав среды добавляют питательные вещества: азот, получаемый из мочевины или аммонийных солей, фосфор (в форме фосфатов), микроэлементы, такие как железо, магний и кальций, для поддержания роста биопленки, а также источник углерода, если в ней недостаточно органических соединений. Данный консорциум характеризуется устойчивостью к токсинам, однако нуждается в защите от ультрафиолетового излучения и механических воздействий».
По мнению исследователей, предложенный метод является экологически безопасным, экономически выгодным (учитывая, что опилки являются побочным продуктом деревообрабатывающей промышленности) и может применяться для очистки сточных вод от тяжелых металлов, органических загрязнений и нефтепродуктов. Возможности увеличения масштаба использования технологии определяются необходимыми объемами очистки.
Эффективность процесса может колебаться в пределах от 60% до 100%. Какие факторы влияют на этот разброс?
«На то, насколько хорошо бактерии очищают сточные воды от тяжелых металлов, влияет ряд факторов, — отмечают разработчики этой инновации. — Прежде всего, результат определяется видом и концентрацией присутствующих металлов: легко поддающиеся удалению металлы, например хром, удаляются в 90–100%, а более токсичные, такие как ртуть, — в 60–75%. Однако, при высоких концентрациях металлов, развитие бактерий может быть подавлено. Кроме того, для достижения наилучшего результата необходимо правильно выбрать конкретные штаммы, обладающие целевой активностью: если микроорганизмы отличаются высокой устойчивостью, эффективность очистки возрастает до 95–100%. В-третьих, важно обеспечивать благоприятные условия окружающей среды: оптимальные значения pH, состав среды, включающий температуру и концентрацию питательных веществ, способствует высокой активности бактерий. Значимую роль играет и тип используемого материала: например, древесные опилки имеют неоднородную структуру, их пористость поддерживает образование биопленки, что оказывает влияние на положительный результат. Кроме того, результат зависит от конструкции биореактора и характеристик сточных вод: активная аэрация и достаточное время обработки обеспечивают наилучший результат, а высокая мутность или интенсивный поток могут привести к снижению эффективности. Предварительное тестирование процесса в лабораторных условиях помогает достичь максимальной эффективности».
Предлагаемая технология позволит положительно повлиять на экологическую обстановку в различных уголках России, в том числе и в Пермском крае, где загрязнение, к сожалению, затронуло даже охраняемые природные территории.
«В настоящее время проект переходит к этапу расширения применяемых процессов. Как стало известно от ученых, после завершения лабораторных исследований и проверок, имитирующих воду, содержащую тяжелые металлы, характерные для сточных вод промышленных предприятий, планируется проведение испытаний на пилотных установках.
Актиномицеты находят применение и в других областях, например, для очистки загрязненных техногенного происхождения почв от тяжелых металлов и нефтепродуктов, а также воздуха – от летучих веществ. Однако для решения этих задач необходимо поддерживать другие условия и использовать другие штаммы бактерий. В качестве основы для культивирования в этих процессах могут использоваться те же древесные опилки.
«В сточных водах формируется жидкая и однородная среда, в которой загрязняющие вещества, как правило, находятся в подвижном состоянии. Для очистки применяются биореакторы, использующие бактерии, закрепленные на носителе, с принудительной подачей кислорода и питательными веществами. Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких часов до нескольких дней, при этом удаление органических веществ и тяжелых металлов осуществляется посредством биодеградации и биосорбции авторы проекта. — Техногенный грунт – это плотная и неоднородная среда, затрудняющая доступ загрязнителям. Для решения этой проблемы используют рыхление, орошение или биореакторы. Этот процесс может занимать несколько месяцев, в течение которых токсиканты переходят в стабильное состояние. Кроме того, очистка воздуха с применением иммобилизованных бактерий реализуется посредством биофильтрации. В данном случае бактерии, закрепленные на носителе, расщепляют летучие соединения, такие как сероводород или аммиак. В биофильтре поддерживается влажность 80–95% и температура 25–35 °C. В отличие от очистки сточных вод и грунта, газовые технологии предъявляют повышенные требования к пористости материала-носителя и ориентированы на аэробный процесс разложения».
Ученые отмечают, что бактерии, применяемые для очистки, обладают ограниченной устойчивостью к токсичным веществам, таким как тяжелые металлы и нефтепродукты. По словам исследователей, этот показатель зависит от ряда факторов: конкретного штамма бактерий, характеристик окружающей среды (наличия питательных веществ, уровня кислотности и температуры), а также от способа их роста и развития (выращивание в виде планктонных культур или формирование биопленок).
«Наши штаммы демонстрируют устойчивость к тяжелым металлам в диапазоне от 1,25 мМ для ртути до 320 мМ для хрома, находясь в свободной форме. Они также переносят дизельное топливо в концентрации до 8 объемных процентов, при этом специалисты сообщают, что они способны разлагать от 71 до 91% этого топлива. Используемые нами бактерии включат алканы и ароматические соединения в свои метаболические процессы. Кроме того, при росте на углеводородах штаммы накапливают ионы молибдата с эффективностью 85%. Следует подчеркнуть, что применение бактерий в виде биопленки увеличивает устойчивость консорциумов в пять раз по сравнению с планктонными клетками».
Технологии биоремедиации, основанные на использовании бактерий и разработанные в Институте экологии и машиностроения Пермского филиала Уральского отделения Российской академии наук, уже сейчас пользуются спросом у бизнес-партнеров. В частности, ученые разработали способ очистки загрязненного грунта с помощью актинобактерий, предназначенный для нужд автозавода «Урал». К работам проявляет интерес ООО «Природа-Пермь», являющееся давним стратегическим партнером исследовательской группы. Внедрение данного подхода может быть актуально для широкого спектра предприятий, включая деревообрабатывающие, целлюлозно-бумажные, нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие компании, а также организации, специализирующиеся на утилизации отходов и восстановлении земель, пострадавших от техногенного воздействия.
Одной из ключевых задач лаборатории алканотрофных микроорганизмов является разработка технологий биоремедиации, при которых бактерии, в сочетании с растениями, способны удалять из окружающей среды тяжелые металлы и нефтепродукты, повышая эффективность процесса очистки.
«Растения способны к фитоэкстракции, заключающейся в поглощении и накоплении загрязнителей в надземной части, к фитостабилизации, которая обеспечивает фиксацию токсикантов в корневой зоне, и к ризодеградации, стимулирующей активность бактерий в ризосфере. Бактерии, в свою очередь, мобилизуют тяжелые металлы и разлагают нефтепродукты, а растения обеспечивают их необходимыми питательными веществами, — сообщили ученые. — В этих разработках применяются следующие виды растений:
- вика яровая (Vicia sativa) — растение аккумулирует тяжелые металлы, такие как свинец и цинк, в своих надземных частях и участвует в фитоэкстракции. Оно устойчиво к углеводородам (например, дизельному топливу) и способствует разложению загрязнителей благодаря симбиозу с ризобактериями, одновременно увеличивая биодоступность металлов;
- горчица белая (Sinapis alba) — растение представляет собой гипераккумулятор металлов, таких как кадмий, свинец и цинк, который накапливает их в своих корнях и стеблях. Взаимодействуя с бактериями, оно усиливает биосорбцию и осаждение, что делает его эффективным средством для удаления тяжелых металлов из почвы;
- клевер луговой (Trifolium pratense L.) — растение представляет собой биоиндикатор и биоаккумулятор тяжелых металлов — меди, цинка и свинца — из городских и загрязненных почв. Корневая система растения поглощает загрязнители, а симбиотические отношения с бактериями способствуют усилению фитостабилизации и азотфиксации;
- овес посевной (Avena sativa L.) — растение — эффективно стабилизирует почву и устраняет загрязнение тяжелыми металлами, такими как хром и медь; оно накапливает вредные вещества в корнях и, в сочетании с бактериями, ускоряет их разложение;
- редька масличная (Raphanus sativus var. oleiformis) — этот гипераккумулятор, предназначенный для свинца, алюминия и других металлов, способствует их накоплению в корнях и листьях растений. Он эффективен для фитоэкстракции, особенно при использовании в сочетании с бактериями, что позволяет повысить доступность загрязнителей для биосорбции».
По мнению исследователей, сочетание бактерий и растений позволяет увеличить эффективность очистки на 20–50% по сравнению с их индивидуальным использованием. Утилизация растений, содержащих тяжелые металлы или нефтепродукты, осуществляется в соответствии с установленными правилами и нормами, принимая во внимание концентрацию загрязняющих веществ и планируемые дальнейшие действия А.А. Голышева, Л.В. Литвиненко и И.Б. Ившина.
Источники
Комментарии А.А. Голышевой, Л.В. Литвиненко и И.Б. Ившиной
ПФИЦ УрО РАН. Новую методику биологической очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы, разработали и запатентовали специалисты ПФИЦ УрО РАН
Уральское отделение РАН. Елена Понизовкина о задачах, стоящих перед актинобактериями (интервью с И.Б. Ившиной)
Фотография на превью: М.С. Филиппова / предоставлено пресс-службой ПФИЦ УрО РАН.
Фото на главной странице: freepik / фотобанк Freepik.
Источники изображений в тексте: freepik / фотобанк Freepik, aleksandarlittlewolf / фотобанк Freepik, иллюстрация из статьи в журнале Ecotoxicology and Environmental Safety (2024. 274: 116190; Ившина И.Б., Куюкина М.С., Литвиненко Л.В., Голышева А.А., Кострикина Н.А., Сорокин В.В., Мулюкин А.Л.) / предоставлено пресс-службой ПФИЦ УрО РАН; М.С. Филиппова / предоставлено пресс-службой ПФИЦ УрО РАН; ilovehz / фотобанк Freepik, aleksandarlittlewolf / фотобанк Freepik, jcomp / фотобанк Freepik, wirestock / фотобанк Freepik.
Статья создана при содействии Российской академии наук