Реакции микроорганизмов на тяжёлые металлы, мышьяк и сурьму в окружающей среде

Реакции микроорганизмов на тяжёлые металлы, мышьяк и сурьму в окружающей среде.

Микроорганизмы по-разному реагируют на тяжелые металлы в зависимости от вида микроорганизма и концентрации тяжелых металлов в среде. Это справедливо также для мышьяка и сурьмы. Всем микробам в качестве компонентов питания необходимы те или иные тяжелые металлы, такие, как Со, Си, Fe, Мп и Zn (. Некоторые микроорганизмы нуждаются также в Мо, V и Ni. Все эти металлы участвуют в основном в ферментативном катализе и должны присутствовать в питательной среде лишь в очень низких концентрациях, обычно порядка нескольких микрограммов на один литр. Ряд микроорганизмов способен осуществлять активный транспорт некоторых из этих элементов внутрь клетки. Существуют бактерии и грибы, которые вырабатывают специальные хелатообразующие вещества, облегчающие проникновение железа в клетку при нейтральных значениях рН .Это проникновение происходит в результате активного транспорта хелатного железа и распада хелата после его переноса через плазматическую мембрану. Даже токсичный ион арсената может проникнуть в клетку путем активного транспорта. Любой из металлов, а также мышьяк или сурьма в достаточно высоких концентрациях становятся токсичными для микроорганизмов. Проявления этой токсичности могут быть различными, например изменение морфологии, клеточного метаболизма  или гибель клеток. В некоторых случаях возникают более толерантные к тяжелому металлу, мышьяку или сурьме резистентные штаммы, т. е. такие, для воздействия на которые необходима более высокая концентрация токсичного вещества, чем для воздействия на родительские штаммы. Обычно эта резистентность обусловлена генетическими модификациями, часто связанными с плазмидами.

Одни микробы обезвреживают тяжелые металлы, мышьяк или сурьму, вырабатывая вещества, реагирующие с указанными элементами внутри клетки (например, при метилировании ртути или мышьяка) или вне ее, т. е. делают их недоступными для ассимиляции микробом. Другие микроорганизмы нейтрализуют токсичные соединения, превращая их ферментативным путем в менее вредные (примером может служить восстановление HgCl2 до HgO). Хотя это окончательно и не доказано, можно предполагать, что физиологическое состояние организма также определяет его чувствительность к интоксикации тяжелыми металлами, мышьяком или сурьмой.

Микробы способны концентрировать тяжелые металлы внутри клеток или на их поверхности. При изучении накопления металлов бактериями, использующими топливо, было установлено, что они аккумулируют более 50% добавленных циркония, титана и цинка из среды, содержащей по 10 ч. на млн. каждого металла в объеме от 50 мл до 2 л.. В общем конечная концентрация металла внутри клетки может быть на несколько порядков выше его концентрации в окружающей среде. В одних случаях накопление соответствующих соединений оказывается летальным, а в других - нет. На поглощение ионов металлов могут оказывать влияние физиологическое состояние клеток и условия окружающей среды.

Настоящими рекордсменами по извлечению металлов из окружающей среды оказались микроорганизмы - бактерии, плесени, микроскопические водоросли, обитающие в почве, пресноводных водоемах и морской воде. Плесневые грибы аспергиллы содержат до 0,3% меди - в 30 000 раз больше, чем в окружающей среде. Многие бактерии в больших количествах накапливают уран: пресноводная микроводоросль хлорелла - до 0,4% сухой массы, актиномицеты - до 4,5%, денитрифицирующие бактерии - 14%, а специально отобранные культуры дрожжей или псевдомонад - до 50%!

Механизмы накопления металлов микробными клетками все еще очень мало изучены, и исследователи, работающие в этой области, то и дело наталкиваются на совершенно новые факты. Недавно группа канадских ученых под руководством Т. Бевериджа опубликовала очень интересные данные о бактерии, известной под названием сенной палочки (Bacillus subtilis). При выращивании этой бактерии в растворе хлористого золота на ее стенках образуются микрокристаллы чистого металлического золота. Выяснилось, что накопление металла происходит в два этапа. Сначала катионы Au3-, находящиеся в растворе, взаимодействуют с отрицательно заряженными группами макромолекул, входящих в состав клеточной стенки бактерии (с фосфатными группами фосфорилированных полисахаридов или с карбоксильными группами пептидогликана). При этом возникают своеобразные ядра кристаллизации, на которых затем быстро осаждается металл из раствора. Кроме золота, сенная палочка может извлекать из раствора еще 40 металлов.

И золото, и большинство других металлов, которые накапливают в своих клетках микроорганизмы,- это тяжелые металлы. Давно известно, что такие металлы даже в ничтожных концентрациях ядовиты. Проникая в живые клетки, они нарушают их жизнедеятельность: инактивируют ферменты, вызывают разрывы в цепях нуклеиновых кислот и т. д. Возникает вопрос: зачем же в таком случае микроорганизмы накапливают эти потенциально опасные вещества?

Ответ, по-видимому, довольно прост. Металлы могут сорбироваться на клетках микроорганизмов именно потому, что они токсичны и их надо как-то нейтрализовать. Дело в том, что уже давно установлено: свое токсическое действие тяжелые металлы проявляют только в виде ионов. Если же их тем или иным способом перевести в связанную форму, то они лишаются токсических свойств. Это отчасти напоминает механизм самозащиты, выработанный некоторыми морскими водорослями, эти водоросли умеют обезвреживать токсичные соединения мышьяка, связывая их с промежуточными продуктами фотосинтеза и откладывая в клеточных мембранах в виде безвредных производных. Такое же положение и здесь: металл, отложенный в клеточной стенке в кристаллическом виде или в виде плохо растворимых соединений, оказывается безвредным для микроба.

Но это, очевидно, не единственная причина накопления металлов. Отложения металла могут быть, например, своеобразным "отходом" основных жизненных процессов. Так обстоит дело, по-видимому, у многих железо - и марганцеокисляющих бактерий. Они питаются готовыми органическими веществами, которые в естественных условиях часто представлены металлорганическими соединениями. В таких соединениях металл, с точки зрения бактерии,- такой же балласт, как для человека, скажем, косточка в вишне; не имея возможности его выплюнуть, бактерия откладывает его на своей клеточной стенке.

Далеко не всегда металл является для микроорганизмов ненужным балластом. Некоторые металлы необходимы микробам - или постоянно, или в какие-то определенные моменты развития. Например, известный азотфиксирующий микроорганизм - азотобактер нуждается в железе, без которого не может работать важный для его жизнедеятельности железосодержащий фермент нитрогеназа. Металлы могут входить в состав различных внутриклеточных транспортных систем, поддерживать определенный ионный состав клеток. Во всех таких случаях способность накапливать металл оказывается для микроорганизма полезным свойством.

Металлы могут играть важную роль и в экологических взаимоотношениях микроорганизмов. Примером может служить обитающая в Атлантике, у берегов Флориды, цианобактерия Gomphosphaeria aponia. Для своей жизнедеятельности она нуждается в железе, которое запасает "на черный день", откладывая в виде гидроокисей на своей клеточной оболочке. Такая способность дает ей преимущество перед живущей в тех же водах нитчатой водорослью Gymnodinium breve, которая тоже нуждается в железе, но накапливать его впрок не может. Поэтому размножение цианобактерий приводит к массовой гибели их конкурентов.

Совершенно особую роль играет способность к накоплению металла в экологии недавно обнаруженной группы пресноводных бактерий, обладающих свойством магнетотаксиса - движения вдоль силовых линий магнитного поля. Эти бактерии содержат цепочки магнетосом - скоплений магнетита FeO o Fe2O3 диаметром до 500 ангстрем которые, как магнитная стрелка, ориентируют бактерию в пространстве и определяют направление ее передвижения в воде. Из-за того, что силовые линии земного магнитного поля проходят не строго горизонтально, а наклонены под тем или иным углом (это называется магнитным наклонением), бактерия, стремясь плыть к северу, в северном полушарии при этом "зарывается" в толщу воды, где, по-видимому, находит оптимальные условия для своего развития: подходящую температуру, соленость, скопления питательных веществ. К тому же все эти бактерии относятся к числу анаэробов и поэтому вынуждены избегать поверхностных слоев воды, богатых кислородом

Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжёлых металлов.

Концентрация оксидов железа вокруг клеток микроорганизмов в результате aдсорбционных процессов объясняется тем, что на поверхности клеток находятся вещества, обладающие отрицательным зарядом. Напротив, коллоидные формы окисного железа заряжены положительно. Основная причина концентрации железа микроорганизмами состоит в том, что они окисляют железо (II) продуктами своего метаболизма. Установлено, что некоторые бактерии относящиеся к Arthrobacter, Leptothix, Metallgenium, переводят закисное железо в окисное в результате взаимодействия его с перекисью водорода, которую образуют.

               2Fe2+ + H2O2 + 2H+ > 2Fe3+ + 2H2O

      Процесс окисления Fe2+ > Fe3+ был использован в способе биологической очистки сточных вод от мышьяка железобактериями Leptothix, Galionella для осаждения мышьяка из стоков обогатительных фабрик. Роль микроорганизмов в этом способе косвенная, так как способ основан на окислении железобактериями Fe (II) до Fe (III) и химическим осаждением последним мышьяка. Окислительную деятельность железобактерий можно использовать для осаждения мышьяка из растворов, содержащих небольшие количества этого элемента (0,3-0,4 мг/л). При содержании мышьяка 4 мг/л известный способ не обеспечивает необходимую ПДК степень очистки.

      Таким образом, окислительно-восстановительные процессы обуславливают растворимость переменно-валентных элементов, и это обстоятельство берется за основу при разработке микробиологической технологии очистки от железа, марганца, хрома, мышьяка, в то время, как при разработке адсорбционной технологии учитывается сродство тяжелых металлов (меди, ртути др.) к высокомолекулярным полимерам клетки, в частности, к белку.

Аккумуляция металлов микроорганизмами

     Сорбция клеточными стенками и накопление внутри клеток микроорганизмов (бактерий, мицелиальных грибов, дрожжей, водорослей) позволяет удалить из разбавленных растворов до 100% Pb, Hg, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, V; до96-98% Au и Ag и до 93% Se.

      При этом набор сорбируемых ионов чрезвычайно широк, сорбционная способность по большинству ионов также сравнительно высока, что позволяет рассматривать эти организмы как эффективные и дешевые сорбенты для очистки водной среды от загрязнений. Накопление металлов клетками микроорганизмов носит двухфазный характер:

      а) начальная фаза не зависит от энергетического состояния клетки и

обусловлена сорбцией металлов компонентами клеточной стенки, среди которых особенно активны как сорбенты хитин и хитозан.

      б) последующая, более медленная фаза – энергозависимое внутриклеточное накопление, происходящее с участием мембранных переносчиков ионов.

      Адсорбция положительно связанных металлов на поверхности клеток, как полагают, связана с присутствием отрицательно заряженных групп анионов: PО43-, COO-, HS-, OH-. Адсорбция происходит быстро, обратимо, независит от температуры и энергетического метаболизма. Грибы и дрожжи адсорбируют уран из сточных вод в таком количестве, что он может составлять 10-15% и 18,5% от веса сухой биомассы соответственно, что в 2 раза больше, чем поглощение урана ионнообменными смолами в промышленности.

      В способе очистки сточных вод от металлов: ионов меди (II), серебра, хрома (III), присутствующих в концентрациях 3-60 мг/л, 40-195 мг/л и 10 мг/л соответственно в сточную воду вводят 3-60 мг/л фильтр-картона с сорбированным штаммом дрожжей Sac. carlsbergensis. Параллельно ставят контрольный опыт с «чистым картоном», не использованным в производстве. Отходы производства пивоваренной промышленности, содержащие фильтр картон с сорбированным штаммом дрожжей Saccharomyces bergensis сорбируют, металлы со степенью очистки от ионов меди за 3-4 часа 99,8-100%, серебра за 2-4 часа контакта на 99-100%, ионов хрома за 94 часа контакта на 95%. Отходы производства значительно быстрее и полнее сорбировали ионы металлов, чем «чистый» картон.

      В способе биологической очистки водных растворов от хрома сорбцией мицелием грибов Aspersillus flaeres при исходной концентрации хрома (VI) 11,4 г/л и хрома (III) 0,39 г/л, степень очистки составляет 72,8%.

      В способе биологической очистки сточных вод от металлов путем контактирования с мицеллием грибов р. Aspergillus в течение 24-46 часов с последующим отделением биомассы фильтрованием содержащую, марганца –30,0%; хрома –5,52%; никеля – 3,1%; при общей концентрации 7 мг/мл, степень очистки составила 69-99%, причем сорбционная емкость двухсуточного мицелия зависела от рН очищаемого раствора.

       Динамика поглощения металла в процессе совместного культивирования бактерий и цианобактерий показывает, что в смешанной культуре может происходить более эффективная очистка ванадиевых стоков, чем в чистой культуре. При однократном добавлении металла, содержание ванадия в культуральной жидкости в ранних вариантах смешанно-раздельного культивирования снижается на вторые сутки в 1,5-2,0 раза, а на девятые сутки – в 2,6 раза .