Для нас - яд, для бактерий - еда

Самой большой экологической проблемой Уфы - или, как говорят экологи, крупнейшим объектом - остается территория бывшего ОАО «Уфахимпром», пропитанная опаснейшими экотоксикантами. Больше всего предприятие известно тем, что в апреле 1990 года с него произошла большая утечка фенола, попавшего в Южный водопровод и сделавшего воду в значительной части города опасной и непригодной для питья.
Путь устранения части накопленного экологического ущерба сегодня предлагают ученые Института биологии Уфимского федерального исследовательского центра РАН. В 2023 году сотрудники лаборатории агробиологии института выиграли грант Российского научного фонда «Бактерии для эффективной деструкции стойких фторсодержащих веществ». Рассказывает заведующий лабораторией - доктор биологических наук Сергей Четвериков:

- Если смотреть шире, территория заброшенного завода является ярким примером загрязнения окружающей среды стойкими органическими загрязнителями (СОЗ) - особой группой органических химических соединений различных классов, которые крайне медленно разлагаются в естественных условиях и представляют глобальную угрозу здоровью человека и остальных живых существ, - объясняет Сергей Павлович. - Они высоко токсичны даже в малых дозах, способны накапливаться в отдельных организмах и пищевых цепочках и переноситься на большие расстояния. Один из самых известных СОЗ - диоксин (с научной точки зрения это группа веществ - полихлордибензо-парадиоксинов (ПХДД). Не менее опасны и фторсодержащие органические вещества, которые присутствуют в почвах «Химпрома», и не только.

- Что это за вещества?
- Например, перфтороктансульфонат (ПФОС) применяется для приготовления водных растворов для тушения пожаров, в том числе для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов: он позволяет образовать пленку на поверхности топлива, предотвращая его контакт с воздухом. И это еще далеко не все варианты его использования. Не менее опасны и перфтороктановая кислота (ПФОК), и более новые вещества из этой группы - перфторкарбоновые кислоты (ПФКК). Обладая свойствами поверхностно-активных веществ и высокой химической стабильностью, ПФКК используются при производстве противопожарной пены, влагостойких покрытий для текстиля, ткани, бумаги и упаковки, лакокрасочных материалов, пестицидов, гидравлических жидкостей. Вместе с тем они внесены в Приложение В Стокгольмской конвенции по стойким органическим загрязняющим веществам, что означает принятие мер по минимизации и, по возможности, прекращению производства и использования этих веществ, с последующим уничтожением.
Доказано, что все эти вещества канцерогенны, вызывают мутации, влияют на репродуктивные функции, эндокринный статус, нервно-психическое состояние. Как и диоксин, они отличаются низкой растворимостью в воде и хорошей растворимостью в жирах.
В большинстве стран ЕС и в США есть примеры загрязнения воды и почвы ПФКК, устранение которых существующими методами стоит очень дорого, а в некоторых случаях просто невозможно. Эти страны объявляют многомиллионные гранты на исследование методов уничтожения данных поллютантов.

- Расскажите о предложенном вами способе их разрушения.
- У коллектива лабораторий агробиологии и биотехнологий имеется громадный опыт исследования деструкции различных ксенобиотиков и создания биопрепаратов различного типа. Нам удалось выделить из нашей коллекции микроорганизмов семь штаммов бактерий, способных разрушать фторсодержащие вещества. Три штамма-деструктора ПФОС и ПФОК уже были известны ранее, а еще четыре штамма мы выделили из почвы, загрязненной гербицидами, в том числе и фторсодержащими, из почвы с территории ОАО «Уфахимпром», а также из грунта с полигона испытаний средств пожаротушений, и описали впервые. Некоторые из этих штаммов способны также фиксировать атмосферный азот, и все, кроме одного продуцируют фитогормоны, что открывает возможность их дальнейшего взаимодействия с растениями. Фиторемедиация почв, загрязненных различными токсикантами, за счет взаимовыгодных отношений растений с бактериями-деструкторами - прием, хорошо известный в экобиотехнологии.

Бактерии-деструкторы фторорганики

 
Чтобы расширить нашу коллекцию микроорганизмов-биодеструкторов, мы также вели их поиск в пробах почв с территорий предприятий нефтехимического профиля, в пробах сточных вод этих предприятий, в пробах почв с мест розлива смеси пестицидов.
Что касается перфторкабоновых кислот, еще недавно считалось, что они вообще не биодеградабельны: это связано с их необычными свойствами: при взаимодействии углерода и фтора возникает самая прочная связь, известная в органической химии, а большие размеры молекул создают различные физиологические проблемы для микроорганизмов. Но сегодня уже известны три штамма бактерий, способных разрушать и их, хотя и не до конца: они могут отнимать у этих соединений ионы фтора, а чем короче цепочка F - C (фтор - углерод), тем менее токсичным становится вещество - даже если цепочка сокращается всего на одно звено. Нами впервые описан штамм бактерий вида Pseudomonas mosselii 5(3), способный деструктурировать C₇-C₁₀ПФКК. И это наиболее экологически безопасный способ утилизации этих кислот, как и других фторорганических соединений: при его применении микроорганизмы минимизируют отрицательное влияние на окружающую среду.

- Как вы определяете, что бактерия способна разрушать токсикант?
- Бактерии помещаются в среду, где фторорганические соединения становятся для них единственным источником углерода, то есть питания. И если они показывают активный рост - значит, способны поглощать и разрушать эту фторорганику.

- Каковы на сегодняшний день результаты выполнения гранта?
- В результате этой работы мы идентифицировали и поместили в коллекцию института семь штаммов бактерий, активно разрушающих стойкие фторсодержащие вещества. Проведено секвенирование их геномов, и нуклеотидные последовательности их генов зарегистрированы в GenBank.
Также разработаны методы оценки степени биодеградации этих загрязнителей. Хочу подчеркнуть, что известные микроорганизмы из иностранных коллекций не приспособлены к большим концентрациям перфторкарбоновых кислот и не способны к их глубокой деградации, а мы запатентовали штамм-деструктор, утилизирующий этот загрязнитель даже в высоких концентрациях. Также нами создан прототип препарата-биодеструктора перфторорганических соединений для ликвидации последствий пожаротушений с рабочим названием «Lenoil - After Fire».