[Перевод] На старом заводе в Питтсбурге бактерии научились питаться промышленными отходами

На старом заводе в Питтсбурге бактерии научились питаться промышленными отходами

Простой

6 мин

515

Перевод

По всей территории Аппалачей и «Ржавого пояса» в США, в том числе в Питтсбурге, бывшие промышленные площадки превращаются в новые жилые районы, исследовательские центры и технологические кластеры. Однако на протяжении десятилетий в этих местах происходили и другие процессы преобразования.

Браунфилды («коричневые поля») — это бывшие промышленные или коммерческие территории, повторное освоение которых может быть осложнено загрязнением. Их часто определяют по тому, что осталось после прежней деятельности: заброшенным заводам, пустующим участкам и почве, загрязнённой канцерогенными соединениями.

Но под поверхностью браунфилды остаются живыми экосистемами. В этих почвах обитают миллиарды микроорганизмов. В Питтсбурге некоторые из них десятилетиями реагировали на загрязнение, оставшееся от промышленного прошлого города, и приспосабливались к нему.

Я микробиолог, и этой темой я заинтересовался благодаря браунфилду, который находится практически у меня на заднем дворе. Моя лаборатория в Университете Карнеги — Меллона расположена всего в 3 километрах от Hazelwood Green, бывшей промышленной территории площадью 72 гектара на берегу реки Мононгахила в Питтсбурге.

Более ста лет здесь находились сталелитейные предприятия, в том числе Jones & Laughlin Steel Co. На пике производства на этой площадке работали тысячи человек, и она внесла свой вклад в репутацию Питтсбурга как Стального города.

Промышленная история Питтсбурга оставила после себя и химическое наследие. Как и на многих других бывших промышленных территориях, почва Hazelwood Green была загрязнена нефтяными углеводородами, тяжёлыми металлами и другими веществами, из‑за чего территория была классифицирована как браунфилд. Среди загрязнителей присутствовали бензол, толуол, этилбензол и ксилол — группа соединений нефтяного происхождения, известная под общим названием BTEX. Эти вещества могут быть токсичными для человека и других организмов, а некоторые из них являются известными канцерогенами.

За последние несколько десятилетий были предприняты значительные усилия по реконструкции Hazelwood Green. После очистки территория стала центром исследований, технологий и общественной деятельности. Эта работа, включая очистку загрязнённой почвы, ставит интересный биологический вопрос: что произошло с микроорганизмами, которые жили в этих почвах, пока они оставались загрязнёнными? И можем ли мы узнать что‑нибудь из того, как они справлялись с загрязнением, чтобы в будущем эффективнее очищать другие браунфилды?

Загрязнение как эволюционный эксперимент

Почва содержит необычайно разнообразное сообщество микроорганизмов. Всего в одном грамме могут находиться миллиарды бактериальных клеток, относящихся к тысячам различных видов. Когда в такую среду попадают загрязнители вроде BTEX, микробы сталкиваются с новой экологической проблемой. Для многих организмов загрязняющее вещество может оказаться токсичным. Однако некоторые микроорганизмы уже могут обладать метаболическими путями, позволяющими переносить присутствие загрязнителя или даже использовать его в качестве пищи. Это даёт им преимущество перед другими бактериями на том же участке.

Со временем загрязнение создаёт давление отбора, заставляющее эти микроорганизмы адаптироваться. Бактерии, способные выживать в загрязнённой среде или даже разлагать загрязняющие вещества, становятся более распространёнными. Причём они могут передавать эту способность не только собственному потомству, но и другим бактериям посредством прямого обмена генами.

В Hazelwood Green десятилетия промышленного загрязнения случайно поставили для нас гигантский эволюционный эксперимент. Моя лаборатория на кафедре биологических наук Университета Карнеги — Меллона пытается разобраться в результатах этого естественного эксперимента. Мы собираем почву в районах Hazelwood Green, которые в прошлом подвергались загрязнению разной степени.

Почвенные керны — цилиндрические образцы почвы, извлечённые вертикально и сохраняющие слои с разных глубин, — позволяют нам изучать сообщества микроорганизмов глубоко под землёй. Мы извлекаем из этих образцов ДНК и используем метагеномное секвенирование — метод, который позволяет непосредственно по ДНК определить все микроорганизмы в образце окружающей среды, вместо того чтобы выращивать и изучать каждый организм по отдельности.

Помимо определения присутствующих микроорганизмов, мы хотим выяснить, на что они способны. Одна из наших целей — выявить бактериальные гены, связанные с разложением BTEX и других углеводородов.

Мы сопоставили данные о загрязнении за несколько десятилетий с современной картой территории, а затем сравнили численность микроорганизмов в разных местах и на разных глубинах, чтобы выяснить, оставило ли прошлое загрязнение долговременный след в микробных сообществах Hazelwood Green.

Поиск микробов, которые питаются загрязнителями

Секвенирование ДНК помогает понять, на что микроорганизмы потенциально способны. Но мы также проверяем эти предположения непосредственно. Мы выделяем бактерии из Hazelwood Green и других районов Питтсбурга, а затем проверяем, способны ли они использовать отдельные загрязняющие вещества в качестве пищи.

Основной эксперимент — поиск бактерий, способных разлагать BTEX, — довольно прост. Обычно бактерии выращивают в лаборатории в богатых питательными веществами средах, содержащих сахара, аминокислоты и другие соединения, которые они легко усваивают. Вместо этого мы выращиваем их в минимальной среде, из которой исключены все источники углерода. Большинству бактерий для роста необходим источник органического углерода, то есть, по сути, пища.

Поэтому мы добавляем в среду загрязнитель — бензол, толуол, этилбензол или ксилол — в качестве единственного источника углерода. Если бактерии растут, это указывает на то, что они способны использовать загрязнитель в качестве пищи. При этом они удаляют его из окружающей среды и помогают очищать почву.

Поиск таких организмов по одному — медленный процесс, поэтому мы начали сотрудничать с AI Science Foundry Университета Карнеги — Меллона, роботизированной автоматизированной лабораторией, расположенной в Bakery Square — ещё одном очищенном браунфилде Питтсбурга.

Роботизированные системы позволяют одновременно проверять тысячи отдельных видов бактерий и измерять, насколько эффективно каждый из них разлагает такие загрязнители, как BTEX. Одновременно разработанные нами инструменты с открытым исходным кодом, например BTEXgenie, ищут в бактериальных геномах гены, которые могут помогать микроорганизмам разлагать загрязняющие вещества.

Такой подход меняет привычный порядок поиска. Вместо того чтобы изучать по одному организму и надеяться, что он окажется полезным, мы можем сначала просканировать тысячи геномов, выделить наиболее вероятных кандидатов, а затем проверить в лаборатории, какие из них действительно работают. Каждый новый цикл экспериментов также улучшает нашу способность предсказывать функции микроорганизма только по его ДНК, поэтому по мере накопления знаний весь процесс становится быстрее.

Могут ли микробы очистить созданное нами загрязнение?

Очистка загрязнённой почвы — сложный и дорогостоящий процесс. Распространённые методы рекультивации, например выемка загрязнённого грунта или его захоронение под слоем чистой почвы, могут сделать территорию безопасной для дальнейшего освоения, не устраняя при этом сами загрязняющие вещества. Поэтому впоследствии может потребоваться длительный мониторинг.

Использование микроорганизмов для удаления загрязнителей из окружающей среды — не новая идея. Биоремедиация уже применяется при ликвидации разливов нефти и очистке сточных вод. Во многих случаях микроорганизмы естественным образом разлагают загрязняющие вещества по мере своего роста, превращая их в менее вредные соединения.

Однако биоремедиация не одинаково эффективна для всех загрязняющих веществ и на всех загрязнённых территориях. Одна из главных проблем заключается в поиске микроорганизмов, которые способны разлагать конкретный загрязнитель и одновременно хорошо существовать в тех условиях окружающей среды, где это загрязнение действительно присутствует. Именно здесь изучение микроорганизмов, уже обитающих в загрязнённой среде, даёт нам преимущество.

Выявляя такие естественным образом адаптировавшиеся микроорганизмы и выясняя, как именно они метаболизируют загрязняющие вещества, мы, возможно, сможем усовершенствовать существующие методы биоремедиации.

По мере того как бывшие промышленные территории Питтсбурга и всего «Ржавого пояса» превращаются в новые центры науки и технологий, вполне возможно, что некоторые необходимые нам биологические инновации всё это время эволюционировали прямо под ними. И лишь сейчас мы начинаем узнавать, чему научились эти микроорганизмы.

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку