Почвенные микроорганизмы в биотехнологии: промышленное применение и биоремедиация загрязнений

Почвенные микроорганизмы, включая бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли и простейшие, представляют огромный неиспользованный потенциал для экологических, коммерческих и промышленных применений. Их природная способность к деградации сложных субстратов и трансформации материалов в новые вещества является ценным ресурсом для фармацевтики, пищевой, химической и горнодобывающей промышленности. Целенаправленное использование микробов для получения полезных продуктов или изменения окружающей среды составляет суть биотехнологии. Эта область также служит ключевым инструментом для получения фундаментальных знаний в генетике, метаболомике и системной биологии.

Основой биотехнологии является колоссальное биоразнообразие микроорганизмов. Широкий спектр их физиологических характеристик обуславливает множество уникальных метаболических особенностей, что позволяет создавать бесчисленные приложения и продукты. Хотя термин «биотехнология» современный, сама концепция древняя: примеры включают приготовление хлеба на закваске, пивоварение, ферментацию продуктов (рис. 4.17) и исторические практики в сельском хозяйстве. Промышленная революция позволила осуществить крупномасштабную ферментацию, ознаменовав рождение современной биотехнологии (рис. 4.19).

Рис. 4.17 иллюстрирует традиционную биотехнологию – производство сыра, существующее тысячелетия.

Рис. 4.19 демонстрирует современную промышленную ферментационную установку.

Область значительно расширилась благодаря достижениям молекулярной биологии и технологии рекомбинантной ДНК, которая позволяет создавать новые генетические комбинации. Микробные клетки могут быть сконструированы путем переноса генов внутри и между видами – процесс, происходящий в природе. Микробная инженерия направлена на создание специальных «супер»-штаммов с улучшенными биохимическими свойствами, тем самым расширяя полезность природного разнообразия.

Микроорганизмы незаменимы. Клетки микробов сами служат пробиотиками, вакцинами или биосорбентами, а продуцируемые ими ферменты и биоактивные соединения бесценны. Выявление полезных штаммов начинается с программы микробиологического скрининга, где организмы отбирают из коллекций или образцов окружающей среды, например, почвы. Отобранные микробы культивируют в биореакторах, часто в виде иммобилизованных клеток на носителях, при строгом контроле параметров: аэрации, pH, температуры.

Для получения целевого метаболита соединение необходимо выделить и очистить из культуральной среды (рис. 4.18). Коммерческая жизнеспособность требует масштабирования до промышленного уровня. Идеальные промышленные штаммы характеризуются высокой скоростью роста, выходом продукта, непатогенностью и способностью расти на дешевых средах. Продукт должен легко извлекаться с помощью экономичных методов экстракции и очистки.

Рис. 4.18 отображает типичные этапы промышленного производства микробных соединений.

Биоремедиация использует естественную способность почвенной биоты, прежде всего гетеротрофных микроорганизмов, к разложению загрязнителей для восстановления окружающей среды. Хотя могут использоваться растения (фиторемедиация) и животные, предпочтение отдается микроорганизмам из-за их метаболического разнообразия. Успех зависит от типа загрязняющего вещества, свойств почвы и климата, что подчеркивает приоритет предотвращения загрязнений над ликвидацией.

Разные микроорганизмы специализируются на деградации специфических соединений. Легкоразлагаемые вещества (простые углеводы) атакуются многими группами, а для стойких полимеров, таких как лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза, требуются специалисты, например, грибы белой гнили. Многие ксенобиотики (техногенные загрязнители), такие как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), структурно схожи с лигнином, что позволяет некоторым грибам их разлагать. Правильный подбор микробного консорциума критически важен для эффективной деградации.

Биоремедиация реализуется в трех основных формах:
- Естественная аттенуация (Natural Attenuation): восстановление силами аутохтонной микробиоты без вмешательства человека.
- Биостимуляция (Biostimulation): усиление активности местных микробов путем добавления питательных веществ (азот, фосфор), кислорода или других активаторов.
- Биодополнение (Bioaugmentation): внесение на загрязненный участок специфических штаммов-деструкторов, отсутствующих в местном сообществе.

Рис. 4.21 наглядно демонстрирует пример биодополнения для ликвидации разлива сырой нефти с помощью комбинированных штаммов почвенных грибов Trametes versicolor (Траметес разноцветный) и Pleurotus ostreatus (Вёшенка обыкновенная):
- (а) Разлив нефти в 1-й день. Токсичность и пористость почвы делают механическую очистку крайне затруднительной.
- (б) Состояние через 14 дней после инокуляции грибами. Обильный белый мицелий виден на поверхности почвы, количество нефти значительно сократилось.
- (в) Результат на 49-й день. Нефтяное загрязнение практически устранено, мицелий деградировал после выполнения своей функции.

Биоремедиация доказала свою высокую эффективность. В документированном случае в Канаде около 38 000 м³ почвы, загрязненной нефтеотходами, было обработано смесью бактерий и питательных веществ (биостимуляция + биодополнение). За 70–90 дней содержание органических загрязнителей снизилось на 40–90%, а тяжелые металлы были иммобилизованы в микробных биопленках. Дополнительные доказательства эффективности представлены на рис. 4.21.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante.

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity.

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.