SCHATTENBLICK - ИЗСЛЕДВАНЕ 387 едноклетъчни организми на маслена диета (MaxPlanckResearch)
MaxPlanckResearch - Научното списание на Обществото на Макс Планк 3/2010
Едноклетъчни организми на маслена диета
От Тим Шрьодер
Бактериите могат да живеят с почти всичко, някои дори с нефт. Фридрих Видел, Директор на Институт по морска микробиология Макс Планк, изследва микроби, които разграждат нефтени въглеводороди дълбоко в утайката без кислород. Могат ли да помогнат при катастрофи с танкери?
Бактериите са стигнали толкова далеч по отношение на красотата ", казва Фридрих Видел и поставя няколко черно-бели снимки на масата. Едната показва куп тънки черни линии, другата малки сиви петна. Бактериите дават отвън Не много повече от абстрактно роене. Въпреки това те са толкова вълнуващи за Уидел, че той ги изследва повече от 30 години. "Метаболизмът им е абсолютно очарователен. Бактериите могат да правят неща, които никое висше живо същество не може да направи. "
Всъщност някои от тях имат много запаси: те разграждат вещества, които са несмилаеми за животните и хората, като целулоза или токсични, като сероводород. Те улавят азот от въздуха и снабдяват растенията с него.
Започна с сероводород в резервоар за масло
Никой не знае колко вида бактерии съществуват и повечето от тях вероятно са все още неоткрити. Вероятно няма място на света, на което едната или другата бактерия да не се чувства добре. Едноклетъчните организми колонизират почви, окопи, пречиствателни станции, горещи дълбоководни извори и арктически морски лед. Много милиарди от тези микроскопични миниатюрни неща се отделят само в и върху тялото ни, в червата или върху кожата. И това е добре. Защото микробите отблъскват враговете и ни осигуряват жизненоважни вещества.
Фридрих Видел се интересува особено от онези бактериални специалисти, които се справят без кислород - „анаеробите“, които вместо това извличат сяра или азотни съединения от околната среда, за да дишат. Изследователят от Института за морска микробиология Макс Планк в Бремен е особено ентусиазиран от бактериални щамове, които могат да разграждат маслото и да се чувстват като у дома си в екзотични местообитания: под маслени постелки на плажа или в безкислородна мазна утайка на морското дъно.
Уидел разбра темата много отдавна, през 1982 г., когато приятел инженер го преведе през склад за петрол. Имаше проблеми с резервоар за суров нефт, сепаратор, в който сместа от масло-вода от отворите се отделя. В контейнерите се бе събрал токсичен сероводород, който мирише на изгнили яйца, корозивно вещество, което дори може да атакува стоманени тръби, „кисел газ“.
Сероводородът се среща в много петролни залежи. Той е създаден там чрез химични реакции при много високи температури дълбоко под земята, което беше известно. Но защо сероводородът също се образува в хладкия резервоар, човек не може да го разбере. Уидел осъзна доста бързо, че анаеробните бактерии трябва да работят в безкислородния резервоар, тъй като сероводородът е типичен продукт на разпадане на анаеробния метаболизъм. Но с какво трябва да се хранят? В началото на 80-те години все още се смяташе, че суровият нефт се разгражда само от "аеробни" бактерии, които консумират кислород. Суровият нефт се състои от въглеводороди, главно от така наречените алкани, дълги вериги от въглеродни атоми, към които са прикрепени само водородни атоми. При метаболизма на аеробните бактерии разграждането на алканите се извършва по подобен начин на този в двигателя на автомобила. Дългите вериги се разкъсват и след това реагират с кислород - остава само въглеродният диоксид и водата.
Маслените компоненти се разграждат дори без въздух
Количествата енергия, отделяни при реакция с кислород, са огромни. Ето защо можете да стигнете доста далеч с един литър бензин. А за аеробните бактерии използването на алкани с кислород е направо празнично ястие. Но за анаероби? По това време много експерти предполагаха, че използването на анаеробни алкани е невъзможно. В противен случай бактериите биха изяли тези вещества от нефтените находища в продължение на милиони години.
Както се оказа, тази хипотеза, макар и правдоподобна, беше невярна. Фридрих Видел взе вода с остатъци от масло от резервоарите в лабораторията и я опакова херметически. После изчака. Наистина. Бавно, но сигурно се образува сероводород във флакона с пробата и това може да е дошло само от разграждането на суровия нефт със сярното съединение сулфат. Какво се случва в метаболизма на бактериите, до днес е разбрано само частично. Следователно Widdel също се опитва да намери онези протеини, които участват в разграждането.
Изглежда, че анаеробите първо удължават веригите и след това ги демонтират на парчета, за да вдишат окончателно парчетата едно по едно. Вместо кислород, анаеробите използват сулфат например, който се среща в морската вода в много по-високи концентрации от кислорода. Дори кислородът да е изразходван отдавна, както в резервоара за маслоотделител, анаеробите все още имат много наличен сулфат. Като краен продукт от реакцията на сулфата с алканите, след това се образува сероводород в бактериите чрез сложна последователност от метаболитни процеси. За да се потиснат такива и други нежелани бактерии по време на производството на масло, към водата, която се изпомпва във резервоарите по време на производството на масло, се добавят антибактериални вещества.
За мнозина тезата за анаеробния алкан и разграждането на маслото първоначално изглеждаше твърде дръзка. Уидел трябваше да подкрепи резултатите си, в края на краищата беше възможно да може кислородът бавно да проникне през гумените запушалки в плътно затворените бактериални съдове. Защото няма такова нещо като напълно непроницаема гума или пластмаса. „След това просто свиваме нашите проби от масло в малки стъклени ампули“, казва Уидел с усмивка. Не може да бъде по-херметично. И с него той успя в окончателното доказателство: алкановите вериги се разграждат анаеробно до въглероден диоксид, при което сулфатът се трансформира в сероводород!
Повечето анаероби бавно процъфтяват
Защо бактериите не са изяли натрупаните отлагания в продължение на милиони години, наистина не може да се обясни досега. Възможно е някои резервоари за петрол да са станали много нагрявани и следователно и днес да са почти стерилни. В други случаи можете да видите много ясно, че бактериите са били на работа. Малките са гастрономи. От сместа от стотици различни алкани в суровия нефт те избират точно тези съединения, които са най-добре смилаеми, например хексадекан, молекулярна структура с 16 въглеродни атома.
Размножаващи се бактерии за контрол на маслото?
Ако анализирате такава маслена проба с помощта на газов хроматограф, апарат, който може точно да открие следи от определени вещества, можете да видите, че някои алкани липсват. Фактът, че суровите масла от различни находища имат различни свойства и качества, може отчасти да е резултат от анаеробната мелница.
Всеки, който работи с анаероби, има нужда от търпение. Много анаероби принадлежат към ленивците сред микроорганизмите. Те растат и се размножават в забавен каданс. Никой всъщност не знае защо е така. Добре познатата лабораторна бактерия Ешерихия коли обаче работният кон на биотехнолозите е истински спринтьор. Живее и работи с кислород. Ако е удобно, се разделя на всеки 20 минути. Милиарди потомство произлизат от такава бактериална клетка за десет часа.
Widdels бактериите дори не са започнали да растат по едно и също време. Те позволяват дни или дори седмици за разделяне. „Те живеят и умират бавно“, казва изследователят. Това прави отглеждането на такива микроби работа на сизифос. Целта на микробиолозите е да произвеждат чисти бактериални култури, за да разберат тяхната функция. Въпреки това, във водна или седиментна проба, много различни бактериални щамове обикновено гъмжат един от друг. За да се намери точния бактериален щам в тази микроскопична плетеница, която действително разгражда маслото, пробата се разрежда все повече и повече, докато накрая - от чисто статистическа гледна точка - само една бактерия плава в лабораторния съд.
Междувременно обаче бактериите трябва да се размножават отново и отново, за да могат изследователите да проверят дали бактерията, разграждаща маслото, все още е в разредената проба. Това отнема време. Толкова време, че през първите няколко години Уидел рядко успяваше да постави докторант на своите анаероби, разграждащи маслото. Дълго време серията разреждания беше по-скоро работа на непълен работен ден за него и неговите служители.
Сероводородът създава допълнителни проблеми
Междувременно жителите на Бремен изолираха редица чисти племена. Но те все още не са намерили наистина бърз анаероб. Изследователят е сигурен, че тези бактерии следователно не са подходящи за почистване след петролна катастрофа. Просто си твърде бавен. При катастрофи с танкери или аварии като тази в Мексиканския залив хиляди тонове суров нефт изтичат в рамките на няколко дни. От друга страна, дори пъргавите, аеробни, консумиращи кислород братовчеди първоначално са безсилни. Приливът изтласква масите петрол и катран на брега, където често се образуват мазни буци мазна тиня и пясък. Widdels бактериите са в крайна сметка активни навсякъде, където кислородът е оскъден - например под парцелите черен нефт на плажа, но също така и при просмукване на естествено масло на морското дъно или в петролни находища.
Понякога петролна авария дори създава бедни на кислород зони директно във водата, защото аеробните петролни фермери черпят жизненоважен кислород от морската вода. За да разградят напълно капка от само 0,2 милилитра масло, аеробите се нуждаят от кислород от до 80 литра вода. Когато в околната среда има големи количества петрол, аеробите черпят свой собствен еликсир на живота. Когато кислородът най-накрая изчезне, анаеробите се включват. Те бавно преминават към маслени компоненти.
Ако маслото тече масово, на такива места може да има допълнителен проблем. Консумацията на кислород и анаеробното разграждане произвеждат сероводород, който е токсичен дори в ниски концентрации. „Колкото повече се занимавате с различните аспекти на добива на петрол, толкова повече става ясно, че трябва да се справяме с ценното суровинно масло много по-съзнателно и отговорно“, казва Видел. „Нефтената авария трябва да засяга всички нас, в края на краищата всеки от нас използва петрол.“
Разграждането на дебели маси от суров нефт при недостатъчно снабдяване с кислород отнема години или дори десетилетия и все още е вероятно да остане непълно. Следователно, дълго време след инцидент, дълбоки остатъци от черно мазно масло могат да бъдат открити дълбоко в пясъка на плажа. Но анаеробите имат време. В продължение на милиони години те бавно се хранят с нефт, който винаги е прониквал естествено от отлаганията в морето. Анаеробни петролни строители могат да бъдат намерени навсякъде в морски утайки, съдържащи въглеводороди, било то в тинята на фризийско яхтено пристанище или в Калифорнийския залив в Западно Мексико.
На дълбочина около 2000 метра гореща вода се издига от пукнатини в земната кора в морското дъно в морски басейн. Останките от мъртви водорасли се задушават в горещината, стичайки се масово от повърхността на морето. Тук производството на петрол се извършва с изтичане на времето. Суровият нефт обикновено се образува дълбоко под морето под стотици метри мощни пакети от утайки, където преобладават високи температури и огромен натиск. В такава тенджера под налягане под налягане, богатите на кислород захари или мастни киселини се варят от мъртвата биомаса, за да образуват въглеводороди.
Някои микроорганизми разграждат петрола до метан
В топлото океанско дъно на Калифорнийския залив обаче можете да изпитате образуването на нефт само на няколко метра дълбочина в океанското дъно, така да се каже на живо. Още преди Фридрих Видел да поеме ръководството на отдела по микробиология в Института „Макс Планк“ в Бремен през 1992 г., той се е гмурнал до горещите извори с подводния лод „Алвин“ от океанографския институт „Уудс Хоул“ в Масачузетс по време на експедиция до Калифорния.
Отначало той виждаше само сива утайка в светлината на бордовите фарове. Тогава изведнъж се появиха жълтеникаво-бели петна, големи количества палачинки сяра - сигурен признак на бактерии. „Убодохме земята с рамото на робота и изведнъж малки жълтеникави капки масло се издигнаха като зехтин във водна чаша“, казва Видел. Там намери интересни анаероби. Днес той отглежда няколко.
Малките му обитатели в лабораторията са го изненадвали много пъти. Тогава, например, когато той разследваше дали нещо ще се случи с дълговерижните въглеводороди дори без добавяне на сулфат. В процеса всъщност се развиха напълно различни микроорганизми, които разграждат дълговерижните въглеводороди от суров нефт до метан, основният компонент на природния газ. Когато Фридрих Видел култивира анаеробните си микроби в лабораторията, му беше ясно, че налягането се увеличава там, където се произвежда газ. Въпреки това той подценява едноклетъчните организми.
Един ден, когато той гледаше в кувьоза, стъклена бутилка беше пукнала и съдържанието й беше разпределено. Уидел все още си спомня с малко тъга загубата на продуктивна бактериална култура, която е отглеждал дълго време. При пълна „микробна газификация на алкан“ обемът може да се увеличи многостотин пъти. Може би такива бактерии са допринесли за газа в петролните залежи.
Разбира се, Фридрих Видел не се занимава само с бактериите, разграждащи маслото. Защото анаеробите могат да предложат много повече. На рафта на камерата за разплод има плътно затворени бутилки, в които почиват метални ленти. Ламарината е източникът на храна за анаероби, които директно използват метално желязо и корозия. Widdel иска да разбере проблема с биокорозията в железопроводните тръбопроводи.
Темата за въглеводородите обаче със сигурност е тази, с която той се занимава от най-дълго време. Фридрих Видел продължава да търси нови бактериални щамове с интересни свойства - в проби, които самият той взема от утайката на Вадденово море, или в очила, които колегите му носят от изследователски пътувания. Той предполага, че едната или другата бактерия ще го изненада със своите възможности. Има само едно нещо, в което той не вярва: "Супер бактерията, която поглъща замърсяването с нефт за рекордно кратко време. Съществуват и естествени ограничения за скоростта на разпадане и бактериалния метаболизъм."
Анаероби
Живи същества, които за разлика от аеробите се метаболизират без кислород. За някои от тях кислородът е дори отровен.
Газов хроматограф
Устройство, което разделя смес от вещества. Сместа се изпраща с газ-носител през фина тръба с дължина от 10 до 50 метра, навита в серпентина. Капилярната тръба е облицована с вещество, върху което веществата се задържат за различно време в зависимост от полярността и налягането на парите. Съответно те излизат от тръбата след различно време.
Алкани
Съединения, които се състоят от въглерод и водород и не съдържат двойни връзки. Въглеродните атоми образуват рамка от верига, която също може да бъде разклонена и затворена, за да образува пръстен. На всички свободни места за свързване има водороден атом. Те се получават главно от нефт.
Източник:
MaxPlanckResearch - научното списание на Обществото на Макс Планк
Брой 3/2010, страници 78-83
Редактор: Отдел за преса и връзки с обществеността на
Макс Планк, общество за развитие на науката, е.
Адрес на редакцията: Hofgartenstrasse 8, 80539 Мюнхен
Тел. 089/2108-1562, факс 089/2108-1405
Имейл: [email protected]
Списанието като PDF: www.magazin-dt.mpg.de
Буклетът се появява на немски и английски език
(MaxPlanckResearch) всеки с по четири броя годишно.
Научното списание е безплатно.
публикувано в Schattenblick от 31 декември 2010 г.