Мікробіологія

Фиторемедиация (использование растений) перспективна для очистки почвы и воды от тяжелых металлов и радионуклидов. А вот токсичные органические соединения растениями не разлагаются, здесь перспективнее использовать микроорганизмы. Микробы производят биодеградацию – разрушение опасных соединений. Биохимические пути деградации сложных органических соединений могут быть весьма протяженными: например, нафталин и его производные разрушаются под действием цепочки реакций из 12 этапов, каждый под контролем соответствующих ферментов.

Использование растений весьма многообразно. Вот как это  расписывает Википедия:  
Растение очищают окружающую среду разными способами. Основные из них:  
1.ризофильтрация — корни всасывают воду и химические элементы необходимые для жизнедеятельности растений;  
2.фитоэкстракция — накопление в организме растения опасных загрязнений (например, тяжёлых металлов);  
3.фитоволатилизация — испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями растений:  
4.фитотрансформация:  
4.1.фитостабилизация — перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму (снижает риск распространения загрязнений);  
4.2. фитодеградация — деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической части загрязнений;  
4.3. фитостимуляция — стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки.

Так, брюссельская капуста  может накапливать до 3,5% от сухого веса свинца, а ее корни до 20%!! Это  растение аккумулирует также медь, никель, хром, цинк.

Другой вопрос, куда и как девать эту растительную «губку», впитавшую в себя столько  дряни?! Растения, вобравшие в себя металлы, обычно компостируют и сжигают, а остатки подлежат захоронению в специальных изолированных хранилищах.Это дорого и трудно.

Деградацию органических ядов производят больше бактерии, чем  растения. Они разлагают такие  соединения как нефтепродукты, салицилат, нафталин, камфора, октан, толуол, ксилол, бифенил, метиленхлорид, детергенты, креозот и т.д. А у бактерий рода псевдомонад обнаружены также плазмиды, контролирующие устойчивость и к тяжелым металлам.

Когда после катастрофы танкера у берегов Аляски вылилось около 5 тыс т. нефти, было загрязнено около 1500 км береговой линии. К очистке привлекли 11 тыс. рабочих с разнообразным оборудованием, что обходилось в 1 млн. долл. в день. Параллельно для очистки берега в почву вносили азотные удобрения, что резко ускорило развитие природных микробных сообществ и в 5 раз разложение ими нефти. В итоге загрязнение, которое должно было отравлять берег до 10 лет, полностью устранили за 2 года, затратив на это менее 1 млн.долл. Вот такова эффективность этой самой биоремедиации.

Одним из новейших направлений  использования трансгенных растений является их применение для фиторемедиации – очистки почв, грунтовых вод от загрязнителей. Гены берутся чаще всего из плазмид (внутриклеточные образования с собственной ДНК) бактерий. Устойчивые к ртути бактерии экпрессируют плазмидный ген Mer-A, кодирующий белок транспорта и детоксикации ртути. Модифицированную конструкцию этого гена уже использовали для трансформации табака, рапса, тополя, арабидопсиса. В гидропонной культуре растения с этим геном извлекали из водного раствора до 80% (!!) ионов ртути. При этом рост и метаболизм трансгенных растений не подавлялись. Устойчивость к ртути передавалась ими в семенных поколениях.

При интродукции  этого гена в тюльпановое дерево, получена линия, которая характеризовалась быстрым темпом роста в присутствии опасных для контрольных растений концентраций хлорида ртути (HgCl2). Растения этой линии поглощали эти ионы, превращали их во много крат менее токсичную – элементарную форму ртути,- и испаряли её в воздух, в количествах в 10 раз больше, чем контрольные растения.

Ученым из Вашингтонского Университета удалось создать сорт генетически модифицированного  тополя, который способен разрушать  некоторые высокотоксичные промышленные вещества, включая хлороформ, бензол, трихлорэтилен, загрязняющие окружающую среду, путем их превращения в безвредные продукты: в воду, углекислый газ и безвредные соли. Результаты лабораторных исследований показали, что ГМ тополя в 100 раз лучше удаляют из почвы трихлорэтилен, чем их природные собратья. Генетически модифицированные деревья также были способны улавливать токсичные вещества из воздуха и затем разлагать их до безопасных метаболитов в своих листьях.

Кадмий поступает  в почву главным образом из промышленных выбросов и как примесь  в фосфорных удобрениях. В случае с кадмием известно, что большинство  растений накапливают его в корнях, тогда такие как салат-латук  и табак в основном в листьях, которые и используются людьми. Для  борьбы с ним можно использовать металлотионеины – белки животных, богатые аминокислотой цистеином, способные связывать тяжелые металлы. Уже получены трансгенные растения, экспрессирующие гены металлотионеинов, более устойчивые к кадмию, чем исходные.

Фитохелатины, полипептиды, связывающие тяжелые металлы, синтезируются фермент фитохелатин-синтазой (PCS) . Получены растения табака с повышенной устойчивости к кадмию и его накоплению путем эффектов повышенной экспрессии AtPCS1 и CePCS-генов. В данном исследовании проводилось сравнение в ГМ-табаке разных попыток активизации генов. Наряду с устойчивостью получили и сверх-восприимчивость, которую можно использовать в мониторинге как растения-индикаторы.

Симбиотической с  люцерной бактерии-азотфиксатору Rhizobium meliloti был встроен ряд генов, осуществляющих разложение бензина, толуина и ксилена, что содержатся в горючем. Глубокая корневая система люцерны позволяет теперь очищать почву на глубину 2,0-2,5 м.

Итак, биоремедиация становится на порядок эффективнее в борьбе против тяжелых металлов и нефтепродуктов при использовании ГМ растений и микробов. Следующая гигантская проблема – загрязнение окружающей среды неразлагающимися пластмассами: полиэтиленом, полипропиленом и т.д. С целью постепенного замещения нефтепродуктов, использующихся для производства пластмасс и полиэстеров, сахаросодержащей растительной биомассой, все крупнейшие химические концерны сотрудничают с биотехнологическими компаниями с целью разработки ферментов, способных расщеплять растительные полисахариды (целлюлозу, крахмал).

Биотехнология обеспечивает нам возможность замещения производимых на основе нефтепродуктов пластмасс  на биополимеры, сырьем для производства которых является сельскохозяйственная биомасса.

В 2001 году компания Каргилл Дау (Cargill Dow) открыла в Блэре, штат Небраска, биоперерабатывающий завод по производству из содержащихся в кукурузе сахаров полиоксипропионовой кислоты ( PLA) – биоразлагаемого полимера, пригодного для производства упаковочных материалов, одежды и постельных принадлежностей. Себестоимость и эффективность этого производства сопоставимы с соответствующими параметрами изготовления пластмасс и полиэстера из нефтепродуктов.

Аналогичный био-полимер разработали специалисты компании DuPont, из кукурузного сахара они производят высококачественной полимер Сорона (Sorona). Волокна из Сороны используются для изготовления одежды.

Исследователи также  создали генетически модифицированные растения и бактерии, синтезирующие  полигидроксибутират – сырье для производства биоразрушаемой пластмассы. И, наконец, благодаря биотехнологии, стало возможным масштабное производство с помощью микробной ферментации естественных белковых полимеров, в том числе паутины и клейких веществ, синтезируемых усоногими раками и мидиями.

Еще одним глобальным фактором загрязнения биосферы является использование ископаемого топлива (нефть, газ, уголь, торф) в транспорте и энергетике. Это приводит к насыщению  атмосферы т.н. «парниковыми газами» - углекислым газомСО2 и метаном.

Если в Китае (мировой лидерв этом!-АП), Индии и др.– сельхозотходы (навоз, компост и т.п.) утилизируются с целью получения биогаза (метана), который собирается и сжигается, то в США, Бразилии, Канаде, Австралии, Германии, Швеции специально выращивают сельхозкультуры для производства топливных этанола и растительных масел: кукурузу, сахарный тростник, сою, рапс, подсолнечник. В Бразилии (бассейн Амазонки) расширяются площади под сахарным тростником и маниокой для производства биоэтанола. С этой же целью начата разработка естественных зарослей черного лозняка, занимающего более 6 млн.га. За эти культуры уже взялись биотехнологи с целью повысить энерго-производство.

Одним из наиболее перспективных  возобновляемых источников энергии  становится биомасса. Причем, наряду с  совершенствованием её методов прямого  сжигания, широкое применение получают процессы биоконверсии – получение спиртов, метана, масел и даже водорода.

Тут главным становится коэффициент энергоотдачи (соотношение суммарного энергетического эквивалента растительной продукции к затратам на её производство). Сравните: сахарная свекла – 1,3; кормовые травы – 2,1; яровой рапс – 2,6; пшеничная солома – 2,9; кукуруза и озимый рапс – около 5!!

Новые «энергетические» ГМ-растения разрабатываются именно в направлении повышения этого коэффициента.

В связи с этим, особое внимание привлекли так называемые нефтеносные растения – различные  виды молочаев, содержащие латекс, терпены  которого приближаются по своим характеристикам  к высококачественной нефти. Урожайность  их сухой массы достигает до 20 т/га, а выход нефтеподобного продукта -65 баррелей/га. Это в условиях Калифорнии с её 400 мм осадков в год. Чтобы получить столько топлива из зерна – надо его иметь 460 ц/га, т.е. в 20(!) раз больше. Коэффициент энергоотдачи просто зашкаливает!!

Майкл Сайберт из американской национальной лаборатории возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory — NREL) работает над молекулярной переделкой морских водорослей с тем, чтобы они могли производить водород в промышленных объёмах. Ранее специалисты уже показали возможность получения водорода при помощи бактерий. Учёные сообщают, что водород — один из продуктов цепочки реакций фотосинтеза у водорослей. С помощью внедренных бактериальных ферментов уже удалось выделить его отдельно. Однако для того, чтобы ценное топливо можно было выкачивать в большом количестве, нужно разобраться со взаимосвязью нужных для получения водорода реакций и фермента «гидрогеназа». После следующей коррекции, они будут вырабатывать водород в десять раз интенсивнее, чем сейчас — считает Сайберт.

Загрязнение окружающей среды  можно считать  заболеванием экосистем, а биоремедиацию – лечением, тогда новые, упомянутые тут, ГМО - лекарством! По сравнению с другими методами очистки, этот гораздо дешевле. При рассеянных же загрязнениях (пестициды, нефтепродукты, тяжелые металлы) ему нет альтернативы вообще. По данным Организации экономического сотрудничества и развития, потенциальный рынок биоремедиации составляет около 75 млрд долл. Конечно, не всё перепадёт на долю ГМО, их экономический базис – это разница в затратах при традиционных методах очистки и их использовании.

В отличие от аграрных биотехнологий, главная цель которых  – получить полезные метаболиты (продукты питания и сырьё), и это СРАЗУ дает ощутимую прибыль миллионам производителей, борьба с загрязнениями неизбежно связана большими расходами правительств на защиту окружающей среды и поэтому ГМО тут внедряются гораздо медленнее. «Лекарства» разработаны и очень эффективны, но производство и распространение их пока чрезвычайно затратно.

В отличие от промышленной биотехнологии, где можно строго контролировать все параметры технологического процесса, биоремедиация с выпуском ГМ микробов и растений в окружающую среду, проводится в открытой системе, что требует углубленного контроля их взаимодействий с нею. Взаимодействие это же – очень многофакторно и многоуровневое. Необходимы дополнительные законодательные акты и правила, регламентирующие интродукцию в окружающую среду ГМ-микроорганизмов, с которыми связаны надежды на очистку от любых загрязнителей. Это еще больше тормозит распространение эко-ГМО. Тут дело за учеными-экологами, которые еще не имеют достоверной и детальной информации для такого внедрения.

Першин А.Ф. , кандидат биологических наук, генетик