Микроскопические уборщики: как бактерии помогают бороться с загрязнением тяжелыми металлами

Тяжелые металлы — вещества, опасные для природы и здоровья людей. Самым распространенным из них — ртути, свинцу, цинку, кадмию, селену — присвоен первый класс опасности. Загрязнение этими элементами — острая проблема современности, особенно для промышленных регионов, где тяжелые металлы отравляют воздух и почву в составе заводских выбросов. Новаторский подход к борьбе с токсичной угрозой разработали ученые Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук. Решение позаимствовано у самой природы: для очистки разных сред от тяжелых металлов и других загрязнителей исследователи предлагают использовать бактерии. О микробной ассоциации для биоремедиации сточных вод и других разработках уральской команды — новая статья «Научной России».

Попадая в почву, тяжелые металлы со временем связываются с другими соединениями и проникают в растения и почвенные организмы, нарушая их жизнедеятельность. Результаты воздействия этих элементов на человека — угнетение иммунной и нервной систем, общее ухудшение физической формы, онкозаболевания. При этом тяжелые металлы с трудом выводятся из живых клеток, поскольку, попав в организм, включаются в метаболические процессы, вставая на место необходимых участников обмена веществ — щелочных и щелочноземельных металлов. Применение непатогенных бактерий для борьбы с тяжелыми металлами — самое безопасное и экономичное решение проблемы.

В мае 2024 г. исследователи из Института экологии и генетики микроорганизмов ПФИЦ УрО РАН зарегистрировали новую микробную ассоциацию, предназначенную для очистки сточных вод от тяжелых металлов (патент RU2818318C1). В качестве «уборщиков» ученые избрали два безопасных штамма микроорганизмов — Gordonia paraffinivorans ИЭГМ 735 и Rhodococcus ruber ИЭГМ 560. Кандидаты подбирались в результате тестирования образцов из Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН.

Применение нового бактериального консорциума превосходит по эффективности другие технологии биоочистки с использованием микроорганизмов: результативность очищения с его помощью достигает 100%! В мае 2025 г. на общем собрании членов Российской академии наук председатель УрО РАН Виктор Николаевич Руденко отметил проект в числе наиболее интересных исследований регионального отделения.

Оба штамма в новом бактериальном консорциуме относятся к актиномицетам. Эти создания получили такое название за способность формировать ветвящиеся нити, напоминающие грибницу (мицелий). Актинобактерии — перспективные помощники человека в области экологии, поскольку они в целом устойчивы к воздействию тяжелых металлов и, кроме того, способны перерабатывать углеводороды, поэтому их также можно использовать для борьбы с загрязнением нефтепродуктами. Это отдельное направление исследований сотрудников ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН. Особое внимание ученых привлекает такой род актиномицетов, как родококки (их как раз представляет один из штаммов в новом консорциуме): помимо очистки среды от тяжелых металлов, они успешно разлагают не только углеводороды, но и многие другие опасные органические вещества.

С деталями инновации корреспондента «Научной России» познакомили авторы проекта — аспирант 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, возглавляющая институтские исследования в области биоремедиации с помощью бактерий.

«В лаборатории алканотрофных микроорганизмов ПФИЦ УрО РАН не первый год проводятся исследования негативного воздействия тяжелых металлов, обладающих высокой токсичностью и способностью накапливаться в живых организмах, с целью разработки более совершенных технических решений процессов биологической очистки окружающей среды от этих экополлюлантов, — отметили ученые. — Мы исследовали устойчивость типичных почвенных и водных бактерий к таким тяжелым металлам, как ртуть, кадмий и свинец (относящимся к первому классу опасности), а также медь, никель и хром. Все они в повышенных концентрациях крайне негативно влияют на живые объекты. По результатам исследования толерантности к этим тяжелым металлам и способности к их инактивации (переводу в менее токсичные формы) 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».

Для «заселения» бактериями-очистителями исследователи решили использовать древесные опилки. Причина проста — доступность и экономичность материала.

«В качестве носителей для бактерий используются различные материалы в зависимости от решаемых задач. В работах по биоремедиации объектов, загрязненных тяжелыми металлами, как правило, применяется материал, доступный в конкретном регионе. В Пермском крае, 70% территории которого покрыты лесами, это отходы деревообрабатывающего производства», — пояснили авторы разработки.

У истоков новой технологии стоят молодые ученые лаборатории алканотрофных микроорганизмов. В 2022 г. А.А. Голышева представила проект на конкурсе для поддержки талантливой молодежи «УМНИК», войдя в число победителей и получив грант на развитие исследования.

«Разработанный подход экономичен, универсален и эффективен в условиях сложных загрязнений, — подчеркнули создатели инновации. — Его отличают несколько преимуществ:

1. интеграция с носителем: бактерии иммобилизованы на древесных опилках, что обеспечивает высокую плотность биопленки (до 10¹⁰ клеток/г) и эффективность очистки от металлов до 100%, в отличие от традиционных систем (с показателями 60–85%);
2. экономически выгодный носитель: древесные опилки — относительно дешевый, пористый, доступный в регионе материал, позволяющий снизить затраты в сравнении с синтетическими носителями;
3. высокая устойчивость бактериальной ассоциации, превосходящая по показателям многие аналоги: штаммы выдерживают воздействие тяжелых металлов в больших концентрациях (например, до 160,0 миллимоль (мМ) для кадмия, до 1,25 мМ для ртути);
4. универсальность: технология применима для очистки сточных вод, грунтов и воздуха (биофильтрации)».

Микробный препарат не нужно добавлять в очистные сооружения каждый день, что облегчает процесс. Включение в консорциум только безопасных бактерий сводит к минимуму риски для людей и природы.

Ученые объяснили корреспонденту «Научной России», какие механизмы используют актинобактерии в борьбе с тяжелыми металлами: «Биоремедиация тяжелых металлов с помощью бактерий — это процесс, во время которого микроорганизмы трансформируют, связывают или удаляют токсичные металлы из загрязненной среды (почвы, воды). В отличие от органических загрязнителей, тяжелые металлы не разлагаются, поэтому бактерии используют иные механизмы, такие как:

1. биосорбция: бактерии адсорбируют металлы на поверхности клеточной стенки за счет химического связывания;
2. биоаккумуляция: металлы накапливаются внутри клеток бактерий;
3. 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⁺);
4. биопреципитация: бактерии выделяют вещества (например, сульфиды), осаждающие металлы в виде нерастворимых соединений».

В результате очистки тяжелые металлы либо удаляются из среды (например, путем сбора биомассы бактерий), либо остаются в ней, но в стабильной, менее токсичной форме.

«Если численность местной (аборигенной) микрофлоры недостаточна, используется прием биоаугментации — дополнительное внесение в среду специализированных бактериальных штаммов, целенаправленно адаптированных к загрязнению», — добавили авторы проекта. 

Процесс очищения строго контролируется: на протяжении биоремедиации специалисты наблюдают, как меняются концентрация металлов, физиологическая активность бактерий и физико-химическое состояние среды. Консорциум бактерий размещается в специальном биореакторе, где поддерживаются благоприятные условия, стимулирующие микроорганизмы к активной работе.

«Бактерии содержатся в биореакторе (или последовательности реакторов) с фиксированной или подвижной загрузкой, — пояснили исследователи. — Опилки выступают в роли пористого носителя с большой поверхностью для адсорбции бактерий и загрязнителей, что обеспечивает стабильность консорциума и защиту от возможного смыва. Применение биореактора объясняется возможностью постоянно контролировать рабочие параметры (температуру, 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 (кислотность) 6–8, аэробные условия, влажность 80–90%. Если стоки дефицитны, добавляют питательные вещества: азот из мочевины или аммонийных солей, фосфор (в составе фосфатов), микроэлементы (железо, магний, кальций) для роста биопленки, а также источник углерода, если в среде мало органики. Консорциум устойчив к токсинам, но требует защиты от ультрафиолета и механических повреждений».

Ученые отмечают, что такой подход экологичен, низкозатратен (поскольку опилки представляют собой отход деревообработки) и может использоваться для очистки сточных вод как от тяжелых металлов, так и от органических загрязнителей и нефтепродуктов. Варианты масштабирования технологии зависят от конкретных объемов очистки.

Результативность процесса варьируется от 60 до 100%. От чего это зависит?

«Эффективность очистки сточных вод от тяжелых металлов бактериями зависит от нескольких факторов, — рассказывают создатели инновации. — Во-первых, результат зависит от типа и концентрации металлов: легко улавливаемые металлы, например хром, удаляются на 90–100%, а токсичные, такие как ртуть, — на 60–75%. При этом высокие концентрации металлов подавляют развитие бактерий. Во-вторых, необходимо правильно подобрать конкретные штаммы с целевой активностью: если микроорганизмы достаточно устойчивы, эффективность очистки повышается до 95–100%. В-третьих, нужно поддерживать благоприятные условия среды: оптимальные значения pH, температура и наличие питательных веществ обеспечивают высокую активность бактерий. Важна также природа носителя: в частности, древесные опилки неоднородны, и их пористость поддерживает формирование биопленки, что влияет на положительный результат. Наконец, результат зависит от конструкции биореактора и характеристики стоков: активная аэрация и достаточное время обработки приводят к лучшему результату, а высокая мутность или быстрый поток могут вызвать снижение показателей. Предварительное тестирование процесса в лаборатории помогает добиться максимальной эффективности».

Разработка поможет улучшить состояние окружающей среды в разных регионах нашей страны, включая собственно Пермский край, где загрязнение распространяется даже на заповедники. 

«На данном этапе проект находится на стадии масштабирования процессов. После успешных лабораторных исследований и испытаний “искусственных” (смоделированных) вод, соответствующих по составу тяжелых металлов сточным водам промышленных предприятий, будут проведены полевые испытания на пилотных установках», — сообщили ученые.

Другие примеры использования актиномицетов — очистка техногенного грунта от тяжелых металлов и нефтепродуктов, а также воздуха — от летучих загрязнителей. Но эти задачи уже требуют поддержания иных условий и использования других штаммов бактерий. А вот в роли носителя во всех случаях могут выступать те же древесные опилки.

«В сточных водах жидкая, однородная среда, где загрязнители в основной массе подвижны. В этом случае используются биореакторы с бактериями, иммобилизованными на носитель, с принудительной аэрацией и питательными добавками. Процесс занимает от нескольких часов до нескольких суток, удаление органики и тяжелых металлов происходит в процессе биодеградации и биосорбции, — описывают авторы проекта. — В то же время техногенный грунт представляет собой твердую неоднородную среду, в которой загрязнители труднодоступны. В этой ситуации применяют рыхление, ирригацию или биореакторы (биостанции). Процесс длится до нескольких месяцев, в результате токсиканты фиксируются в стабильной форме. Наконец, очистка воздуха с помощью иммобилизованных бактерий возможна с использованием приема биофильтрации. В этом случае бактерии на носителе разлагают летучие соединения — сероводород или аммиак. Биофильтр поддерживает влажность 80–95% и температуру 25–35 °C. Основное отличие от очистки сточных вод и грунта заключается в том, что газовая среда требует высокой пористости носителя и акцента на аэробную деградацию».

Безусловно, у используемых учеными бактерий-очистителей есть определенные пределы устойчивости к токсичной среде — тяжелым металлам и нефтепродуктам. Как объяснили исследователи, это тоже зависит от нескольких факторов: конкретного штамма, особенностей среды (питательных веществ, кислотности, температуры) и формы роста и развития (чистые планктонные культуры или биопленка).

«Используемые нами штаммы имеют устойчивость к тяжелым металлам от 1,25 мМ для ртути до 320 мМ для хрома в свободном состоянии. Они толерантны к дизельному топливу с концентрацией до 8 объемных процентов и разлагают 71–91% от него, — добавили специалисты. — Алканы и ароматические соединения применяемые нами бактерии используют в своем метаболизме. При росте на углеводородах штаммы также аккумулируют молибдат-ионы с эффективностью 85%. Стоит отметить, что использование бактерий в виде биопленки повышает устойчивость консорциумов до пяти раз по сравнению с планктонными клетками».

Уже сейчас технологии биоремедиации с помощью бактерий, разработанные в ИЭГМ ПФИЦ УрО РАН, обретают востребованность среди предпринимателей. В частности, коллектив ученых создал метод очистки техногенного грунта с помощью актинобактерий целенаправленно для автозавода «Урал». Интерес к работам проявляет давний стратегический партнер команды исследователей, ведущий экологический бизнес ООО «Природа-Пермь». В целом новый подход смогут взять на вооружение самые разные предприятия: деревообрабатывающие, целлюлозно-бумажные, нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие компании, а также организации, занимающиеся утилизацией отходов и рекультивацией земель после техногенных нарушений.

Отдельное направление работы лаборатории алканотрофных микроорганизмов — технологии биоремедиации, в которых бактерии очищают среду от тяжелых металлов и нефтепродуктов в связке с различными растениями, помогающими усилить эффект.

«Растения участвуют в фитоэкстракции (поглощении и аккумуляции загрязнителей в надземной части), фитостабилизации (фиксации токсикантов в корневой зоне) и ризодеградации (стимуляции бактерий в ризосфере). Бактерии, в свою очередь, мобилизуют тяжелые металлы и разлагают нефтепродукты, а растения предоставляют им питательные экссудаты, — поделились ученые. — В этих разработках используются следующие виды растений:

• вика яровая (Vicia sativa) — аккумулирует тяжелые металлы (свинец, цинк) в надземных частях, участвует в процессах фитоэкстракции; устойчива к углеводородам (дизельному топливу), улучшает деградацию загрязнителей за счет симбиоза с ризобактериями, при этом повышает биодоступность металлов;
• горчица белая (Sinapis alba) — гипераккумулятор металлов (кадмия, свинца, цинка), накапливающий их в корнях и стеблях; в сочетании с бактериями стимулирует процессы биосорбции и преципитации, эффективна для очистки почв от тяжелых металлов;
• клевер луговой (Trifolium pratense L.) — биоиндикатор и биоаккумулятор тяжелых металлов (меди, цинка, свинца) из городских и загрязненных почв; его корневая система фиксирует загрязнители, а симбиоз с бактериями усиливает фитостабилизацию и азотфиксацию;
• овес посевной (Avena sativa L.) — эффективен для фитостабилизации и ремедиации почв от тяжелых металлов (хрома, меди); аккумулирует загрязнители в корнях, а в комбинации с бактериями способствует повышению общей деградации опасных веществ;
• редька масличная (Raphanus sativus var. oleiformis) — гипераккумулятор для свинца, алюминия и других металлов, накапливает их в корнях и листьях; подходит для фитоэкстракции, особенно в комбинации с бактериями для усиления биодоступности загрязнителей».

Исследователи отметили, что совместное использование бактерий и растений повышает эффективность очистки на 20–50% в сравнении с раздельным применением. «Растения, накопившие тяжелые металлы или нефтепродукты, утилизируются в соответствии с правилами и нормами в зависимости от концентрации загрязнителей в среде и дальнейших целей», — пояснили 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. Ученые ПФИЦ УрО РАН запатентовали новый способ биологической очистки сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами

Уральское отделение РАН. Елена Понизовкина. Фронт работ для актинобактерий (беседа с И.Б. Ившиной)  

Фото 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; Ivshina I.B., Kuyukina M.S., Litvinenko L.V., Golysheva A.A., Kostrikina N.A., Sorokin V.V., Mulyukin A.L.) / предоставлена 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 подготовлена при поддержке Российской академии наук