SCHATTENBLICK - ДОСЛІДЖЕННЯ 387 одноклітинних організмів на масляній дієті (MaxPlanckResearch)
MaxPlanckResearch - Науковий журнал Товариства Макса Планка 3/2010
Одноклітинні організми на олійній дієті
Тім Шредер
Бактерії можуть жити майже на чому завгодно, деякі навіть на нафті. Фрідріх Віддель, Директор по Інститут морської мікробіології Макса Планка, досліджує мікроби, які розщеплюють нафтові вуглеводні глибоко в осаді без кисню. Чи можуть вони допомогти в аваріях на танкерах?
Бактерії досягли такого далеко за рівнем краси ", - говорить Фрідріх Віддель і кладе на стіл кілька чорно-білих фотографій. Один показує купу тонких чорних ліній, інший - маленькі сірі краплі. Бактерії дають зовні Не набагато більше, ніж абстрактний рій. Тим не менше, вони настільки захоплюючі для Відделя, що він досліджує їх більше 30 років. "Їх метаболізм абсолютно захоплюючий. Бактерії можуть робити те, чого не може зробити жодна вища жива істота ".
Дійсно, у деяких із них є багато запасу: вони розщеплюють речовини, які не засвоюються тваринами та людьми, такі як целюлоза, або токсичні, такі як сірководень. Вони ловлять азот з повітря і постачають ним рослини.
Почалося з сірководню в масляному баку
Ніхто не знає, скільки видів бактерій існує, і більшість з них, ймовірно, досі не виявлені. Напевно, немає місця у світі, де би не було комфортно тій чи іншій бактерії. Одноклітинні організми колонізують ґрунти, траншеї, очисні споруди, гарячі глибоководні джерела та арктичний морський лід. Багато мільярдів цих мікроскопічних крихітних речей потрапляють лише в наше тіло, в кишечник або на шкіру. І це добре. Тому що мікроби відлякують ворогів і забезпечують нас життєво важливими речовинами.
Фрідріха Відделя в першу чергу цікавлять ті спеціалісти-бактеріологи, які проходять зовсім без кисню, - "анаероби", які натомість витягують із навколишнього середовища сполуки сірки або азоту для дихання. Дослідник з Інституту морської мікробіології Макса Планка в Бремені особливо захоплений штамами бактерій, які можуть розщеплювати нафту і почуватись добре в екзотичних місцях проживання: під масляними килимками на пляжі або в безкисневих, маслянистих осадках на морському дні.
Віддл отримав тему давно, в 1982 році, коли друг інженера провів його через склад нафти. Були проблеми з резервуаром для сирої нафти, сепаратором, в якому масло-водна суміш з отворів відокремлюється. У контейнерах зібрався отруйний сірководень, який пахне тухлими яйцями - корозійну речовину, яка може атакувати навіть сталеві труби, «кислий газ».
Сірководень зустрічається у багатьох родовищах нафти. Це створюється там хімічними реакціями при дуже високих температурах глибоко під землею, що було відомо. Але чому в теплій цистерні також утворюється сірководень, цього не можна зрозуміти. Віддель досить швидко зрозумів, що анаеробні бактерії повинні працювати в безкисневому резервуарі, оскільки сірководень є типовим продуктом розпаду анаеробного метаболізму. Але чим вони повинні харчуватися? На початку 1980-х років ще вважалося, що сиру нафту розщеплюють лише аеробні бактерії, що споживають кисень. Сира нафта складається з вуглеводнів, переважно з так званих алканів, довгих ланцюгів атомів вуглецю, до яких приєднані лише атоми водню. При метаболізмі аеробних бактерій розпад алканів відбувається подібно до того, що відбувається в двигуні автомобіля. Довгі ланцюги розриваються на частини, а потім реагують з киснем - залишається лише вуглекислий газ і вода.
Компоненти масла розщеплюються навіть без повітря
Кількість енергії, що виділяється при реакції з киснем, величезна. Тому з одним літром бензину можна зайти досить далеко. А для аеробних бактерій використання алканів з киснем є відвертим святковим обідом. Але для анаеробів? Тоді багато експертів вважали, що використання анаеробного алкану неможливе. Інакше бактерії з’їли б ці речовини з нафтових відкладень протягом мільйонів років.
Як виявилося, ця гіпотеза, хоча й правдоподібна, була хибною. Фрідріх Віддель забирав воду з залишками олії з резервуарів до лабораторії та герметично упаковував. Потім він зачекав. Справді. Повільно, але вірно сірководень утворюється у флаконі з зразком, і це могло відбутися лише в результаті розпаду сирої нафти із сульфатом сполуки сірки. Що відбувається в метаболізмі бактерій, до сьогоднішнього дня зрозуміло лише частково. Тому Widdel також намагається знайти ті білки, які беруть участь у розщепленні.
Виглядає так, ніби анаероби спочатку подовжують ланцюги, а потім розбирають їх на шматки, щоб остаточно вдихнути шматочки по одному. Замість кисню анаероби використовують, наприклад, сульфат, який міститься в морській воді у значно більших концентраціях, ніж кисень. Навіть якщо кисень давно витрачений, як у резервуарі для сепаратора масла, анаероби все ще мають деяку кількість сульфату. Як кінцевий продукт реакції сульфату з алканами, сірководень утворюється в бактеріях через ускладнену послідовність метаболічних процесів. Для придушення таких та інших небажаних бактерій під час видобутку нафти до води, яка закачується у резервуари під час видобутку нафти, додаються антибактеріальні речовини.
Для багатьох теза про анаеробний алкан та деградацію нафти спочатку здавалася занадто сміливою. Віддлу довелося підкріпити свої результати, адже можна було подумати, що кисень міг повільно проникати через гумові пробки в щільно закупорені бактеріальні судини. Тому що не існує такого поняття, як абсолютно непроникна гума чи пластик. "Потім ми просто зменшили наші зразки олії на невеликі скляні ампули", - каже Уддел з посмішкою. Це не могло бути більш герметичним. І разом з цим йому вдалося остаточно довести: ланцюги алканів розкладаються анаеробно до діоксиду вуглецю, завдяки чому сульфат перетворюється на сірководень!
Більшість анаеробів процвітають повільно
Чому бактерії мільйони років не з'їдали порожні відкладення, поки що насправді неможливо пояснити. Цілком можливо, що деякі нафтові резервуари дуже сильно нагрівались і тому досі майже стерильні. В інших випадках ви дуже чітко бачите, що бактерії працювали. Крихітні - це гурмани. Із суміші сотень різних алканів у сирій нафті вони вибирають саме ті сполуки, які найкраще засвоюються, наприклад гексадекан, молекулярна структура з 16 атомами вуглецю.
Розмноження бактерій для контролю олії?
Якщо проаналізувати такий зразок олії за допомогою газового хроматографа, апарату, який може точно виявити сліди певних речовин, ви зможете побачити, що деякі алкани відсутні. Той факт, що неочищені олії з різних родовищ мають різні властивості та якості, може бути частково результатом анаеробних робіт по розмелюванню.
Кожен, хто працює з анаеробами, потребує терпіння. Багато анаеробів належать до лінивців серед мікроорганізмів. Вони ростуть і розмножуються в повільному темпі. Ніхто насправді не знає, чому це так. Відома лабораторна бактерія Кишкова паличка однак робоча коня біотехнологів - справжній спринтер. Він живе і працює з киснем. Якщо це зручно, воно ділиться кожні 20 хвилин. За десять годин із такої бактеріальної клітини з’являються мільярди нащадків.
Бактерії Widdels навіть не почали рости одночасно. Вони дозволяють дні або навіть тижні для поділу. "Вони живуть і помирають повільно", - говорить дослідник. Це робить розведення таких мікробів роботою сизифосу. Мета мікробіологів - виробляти чисті бактеріальні культури, щоб зрозуміти їх функцію. Однак у зразку води або осаду багато різних бактеріальних штамів зазвичай кишить один від одного. Для того, щоб знайти точний бактеріальний штам у цьому мікроскопічному клубку, який насправді розщеплює нафту, зразок розбавляється все більше і більше, поки нарешті - з чисто статистичної точки зору - у лабораторній посудині не плаває лише одна бактерія.
Однак між ними бактеріям доводиться розмножуватися знову і знову, щоб дослідники могли перевірити, чи є бактерія, що руйнує масло, все ще в розведеному зразку. Це вимагає часу. Стільки часу, що в перші кілька років Віддель рідко вдавався докторанту на його анаероби, що руйнують масло. Тривалий час серія розведення була для нього та його співробітників швидше неповною роботою.
Сірководень створює додаткові проблеми
Тим часом жителі Бремена виділили низку чистих племен. Але вони ще не знайшли справді швидкого анаеробу. Дослідник впевнений, що ці бактерії не підходять для очищення після нафтової аварії. Ви просто занадто повільні. При аваріях танкерів або аваріях, як у Мексиканській затоці, тисячі тонн сирої нафти витікають протягом декількох днів. З іншого боку, навіть спритні, аеробні, споживаючі кисень двоюрідні брати спочатку безсилі. Приплив витісняє маси нафти та смоли на берег, де часто утворюються жирові грудочки жирного мулу та піску. Бактерії "Поширення" в кінцевому підсумку активні скрізь, де не вистачає кисню - наприклад, під посилками чорної нафти на пляжі, але також і в результаті витоку природного масла на морське дно або в нафтові відкладення.
Іноді нафтова аварія навіть створює зони, бідні киснем, безпосередньо у воді, оскільки аеробні виробники нафти забирають життєво важливий кисень з морської води. Для того, щоб повністю розщепити краплю всього 0,2 мілілітра олії, аеробам потрібен кисень до 80 літрів води. Коли в навколишньому середовищі є велика кількість нафти, аероби витягують власний еліксир життя. Коли кисень остаточно зникає, анаероби включаються. Вони повільно перебирають масляні компоненти.
Якщо масло витікає масово, в таких місцях може виникнути додаткова проблема. Споживання кисню та анаеробна деградація утворюють сірководень, який токсичний навіть у низьких концентраціях. "Чим більше ви займаєтесь різними аспектами видобутку нафти, тим більше стає зрозумілим, що нам доводиться мати справу з цінною сировинною олією набагато свідоміше і відповідальніше", - говорить Віддель. "Нафтова аварія повинна стосуватися усіх нас, адже кожен із нас використовує нафту".
Розпад густих нафтових мас при недостатньому надходженні кисню займає роки, а то й десятиліття, і все ще залишається неповним. Тому протягом тривалого часу після аварії глибоко в пляжному піску можна виявити залишки чорної жирної олії. Але анаероби встигають. Протягом мільйонів років вони повільно харчуються нафтою, яка завжди природно просочується в море із відкладень. Анаеробні нафтобудівники можна знайти всюди в морських відкладеннях, що містять вуглеводні, будь то в мулі фризької пристані для яхт або в Каліфорнійській затоці на заході Мексики.
На глибині близько 2000 метрів гаряча вода піднімається з тріщин земної кори у морське дно в морському басейні. Залишки мертвих водоростей киплять у спеку, масово стікаючи з поверхні моря. Тут видобуток нафти відбувається швидко. Сира нафта, як правило, утворюється глибоко під водою під сотнями метрів потужних пакетів осадів, де переважають високі температури та надзвичайний тиск. У такій геологічній скороварці з мертвої біомаси википають багаті киснем цукри або жирні кислоти з утворенням вуглеводнів.
Деякі мікроорганізми розщеплюють нафту до метану
Однак у теплому дні океану Каліфорнійської затоки ви можете відчути утворення нафти у глибині океанічного дна всього на кілька метрів, так би мовити в прямому ефірі. Ще до того, як Фрідріх Віддель взяв на себе керівництво відділом мікробіології в Інституті Макса Планка в Бремені в 1992 році, він пірнув з підводним "Елвіном" Океанографічного інституту Вудса Хоула в Массачусетсі під час експедиції до гарячих джерел біля Каліфорнії.
Спочатку він бачив лише сірий осад у світлі бортових фар. Потім раптом з’явилися жовтувато-білі плями, розміри оладок сірки - вірна ознака бактерій. "Ми кололи землю роботом, і раптом маленькі жовтуваті крапельки олії піднялися, як оливкова олія у склянку з водою", - говорить Віддель. Він знайшов там цікаві анаероби. Сьогодні він вирощує кілька.
Його крихітні жителі лабораторії не раз дивували його. У той час, наприклад, коли він досліджував, чи не трапиться щось із вуглеводнями з довгими ланцюгами навіть без додавання сульфату. У процесі фактично розвивалися абсолютно різні мікроорганізми, які розщеплюють довголанцюгові вуглеводні з сирої нафти до метану, головного компонента природного газу. Коли Фрідріх Віддель культивував свої анаеробні мікроби в лабораторії, йому було ясно, що тиск зростає там, де виробляється газ. Проте він недооцінював одноклітинні організми.
Одного разу, коли він дивився в інкубатор, скляна пляшка лопнула і її вміст було розподілено. Віддель досі згадує з невеликим сумом втрату продуктивної бактеріальної культури, яку він вирощував протягом тривалого часу. При повній «мікробній газифікації алкану» обсяг може збільшитися в кілька сотень разів. Можливо, такі бактерії сприяли надходженню газу в нафтові пласти.
Звичайно, Фрідріха Відделя стосуються не лише бактерії, що розщеплюють нафту. Тому що анаероби можуть запропонувати набагато більше. На полиці його розплодної камери є щільно закриті пляшки, в яких лежать металеві смужки. Листовий метал є джерелом їжі для анаеробів, які безпосередньо використовують металеве залізо та корозію. Віддель хоче зрозуміти проблему біокорозії в залізних трубопроводах.
Проте тема вуглеводнів, безумовно, стосується його найдовшого часу. Фрідріх Віддель продовжує шукати нові штами бактерій з цікавими властивостями - у зразках, які він сам бере з осаду Вадденського моря, або в окулярах, які колеги приносять йому з дослідницьких поїздок. Він припускає, що та чи інша бактерія здивує його своїми можливостями. Єдине, у що він не вірить: "Супер бактерія, яка з’їдає забруднення нафтою в рекордні терміни. Існують також природні межі швидкості руйнування та бактеріального обміну".
Анаероби
Живі істоти, які, на відміну від аеробів, метаболізуються без кисню. Для деяких з них кисень навіть отруйний.
Газовий хроматограф
Пристрій, що відокремлює суміш речовин. Суміш направляється з газом-носієм через тонку трубку довжиною від 10 до 50 метрів, намотану в котушку. Капілярна трубка вистелена речовиною, на якій речовини затримуються різний час залежно від їх полярності та тиску пари. Відповідно, вони виходять із труби через різний час.
Алкани
З'єднання, що складаються з вуглецю та водню і не містять подвійних зв'язків. Атоми вуглецю утворюють каркас із ланцюга, який також може бути розгалуженим і закритим, утворюючи кільце. На всіх вільних ділянках зв'язування є атом водню. В основному їх отримують з нафти.
Джерело:
MaxPlanckResearch - науковий журнал Товариства Макса Планка
Випуск 3/2010, сторінки 78-83
Редактор: Департамент преси та зв’язків з громадськістю
Товариство сприяння розвитку науки імені Макса Планка, е.
Адреса редакції: Hofgartenstrasse 8, 80539 Мюнхен
Тел.089/2108-1562, факс 089/2108-1405
Електронна адреса: [email protected]
Журнал у форматі PDF: www.magazin-dt.mpg.de
Буклет видається німецькою та англійською мовами
(MaxPlanckResearch) кожен з чотирма номерами на рік.
Науковий журнал безкоштовний.
опубліковано в Schattenblick станом на 31 грудня 2010 року