"Съедают гвоздь за три дня". Где живут бактерии, питающиеся металлами

МОСКВА, 17 фев — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Некоторые микробы получают энергию из неорганических веществ, в том числе из металлов. Об удивительных способностях бактерий и о том, какую пользу из этого можно извлечь, — в материале РИА Новости.

Биофабрики металлов

В Северной Калифорнии на руднике Айрон-Маунтин, где добывают полиметаллическую руду, работники однажды оставили инструмент на ночь в шахте. Утром обнаружили, что лопаты наполовину "съедены", а вода вокруг красная. Биологи отобрали образцы шахтных вод и нашли микроб из группы железобактерий Leptospirillum ferrooxidans.

Эти организмы можно назвать чемпионами среди экстремофилов — существ, способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды. Лептоспириллы обитают под землей без солнечного света, при температуре плюс 50 градусов по Цельсию, в растворе, близком к серной кислоте, насыщенном мышьяком, цинком и медью. Они образуют розовую биопленку толщиной в несколько миллиметров, которая обеспечивает им плавучесть и постоянный контакт как с воздухом, так и с водой, необходимый для сбора и переработки питательных веществ.

Для получения энергии железобактерии используют углерод и азот из воздуха, а оставшийся кислород расходуют на окисление железа, содержащегося в сульфидной руде. В процессе этой реакции образуется серная кислота, которая высвобождает еще больше металлов из породы.

По сути, каждая железоокисляющая бактерия — это природная микрофабрика по обогащению руды. Сегодня микроорганизмы применяют в промышленных технологиях биовыщелачивания и извлечения из пород некоторых металлов — например, меди и золота.

CC0 / D.E. Rawlings, et al. Microbiology /

Шахтные воды рудника Айрон-Маунтин, окрашенные продуктами жизнедеятельности железобактерий (слева) и бактерии Leptospirillum ferrooxidans под микроскопом (справа)

Железная диета

Первые микробы появились на Земле примерно 3,9 миллиарда лет назад. Доступной органики в то время не было, поэтому для питания и получения энергии бактерии использовали химические соединения из окружающей среды — от водорода и метана до сложных солей металлов. Благодаря этому образовались многие горные породы и руды.

Например, гигантские залежи полосчатых железистых кварцитов, составляющих сегодня сырьевую базу черной металлургии, возникли в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих бактерий, окисляющих двухвалентное железо до трехвалентного в бескислородной среде ранних океанов. Энергию, которая выделялась при этой реакции, микробы-автотрофы тратили на синтез первых органических веществ.

Единственная известная на сегодняшний день фотоферротрофная бактерия Chlorobium phaeoferrooxidans обитает в насыщенных углекислым газом и метаном водах африканского озера Киву. По свидетельствам геологов, примерно раз в тысячу лет здесь происходят так называемые лимнические извержения — внезапные выбросы большого объема углекислого газа, от которых гибнет все живое вокруг, кроме хлорибий.

Есть мнение, что во время массовых вымираний в древности, когда из-за замедления океанических циркуляций снижалось содержание кислорода в воде, а атмосфера наполнялась ядовитыми вулканическими газами, фотоферротрофы чувствовали себя лучше, чем прочие организмы. В новых условиях они активно размножались и производили огромное количество метана и сероводорода, что усугубляло негативные последствия экологического кризиса.

CC BY-SA 4.0 / A junaid alam khan / Lake Kivu from Sake, Goma, DR Congo / Cropped image

Озеро Киву

Открытие в грязной пробирке

Недавно микробиологи Калифорнийского технологического института в обычной водопроводной воде обнаружили бактерии, которые в качестве источника калорий используют марганец.

Открытие произошло случайно. Вернувшись из отпуска, ученые увидели, что замоченные в раковине пробирки покрылись бурой пленкой карбоната марганца, которая обычно образуется только в присутствии сильного окислителя. Исследователи вспомнили, что трубопроводы в некоторых районах Калифорнии нередко забиваются похожими отложениями, и предположили, что эти вещества могут иметь биологическое происхождение.

Детальное изучение привело к открытию сразу двух новых видов бактерий — Manganitrophus noduliformans и Ramlibacter lithotrophicus. Первый — дальний родственник бактерий из рода Nitrospira, которые питаются соединениями азота. Второй относится к классу бетапротеобактерий.

Ученые установили, что микробы изначально находились в грунте, откуда забирали воду. Энергию электронов марганца, высвобождающуюся при окислении металла, они используют для превращения углекислого газа в углерод — подобно тому, как растения задействуют солнечный свет для превращения CO₂ и воды в сахара и кислород во время фотосинтеза.

"Это первые обнаруженные бактерии, питающиеся марганцем, хотя существование таких микробов предсказывали более века назад, — приводятся в пресс-релизе слова одного из авторов исследования, профессора микробиологии окружающей среды в Калифорнийском технологическом институте Джареда Лидбеттера. — Удивительно, что они могут метаболизировать, казалось бы, малопригодные вещества, такие как металлы, для выработки полезной энергии".

Марганец — один из самых распространенных элементов на поверхности Земли. Это также важный микроэлемент, который необходим для формирования костей, переработки жиров и белков. Человек получает его из таких продуктов, как орехи, чай и листовая зелень.

© Hang Yu/Caltech

Узелки оксида марганца, образованные бактериями Manganitrophus noduliformans

Богатства подводных залежей

Вдохновленные результатами американских коллег исследователи из Океанографического института Университета Сан-Паулу в Бразилии и Национального океанографического центра Великобритании решили изучить микроорганизмы, обитающие в марганцевых корках, которыми покрыты склоны подводных гор поднятия Риу-Гранди в Атлантическом океане.

Долгое время механизм образования корок, как и железомарганцевых конкреций — загадочных шаров из окислов Fe и Mn, которыми в некоторых местах усыпано дно океанов — оставался загадкой. Горнодобывающие компании планируют в ближайшие годы начать разработку этих скоплений, поскольку с ними, помимо железа и марганца, связаны значительные запасы редких и редкоземельных металлов. Поэтому вопрос об их происхождении имеет важное практическое значение.

Авторы пришли к выводу, что осаждение металлов на склонах подводных гор связано с деятельностью бактерий, которые используют марганец для преобразования углекислого газа в биомассу посредством процесса, называемого хемосинтезом. Один из открытых микроорганизмов принадлежит к той же группе Nitrospirae.

"Это убедительное свидетельство того, что металлы там образуются не только в результате геологических, но и биологических процессов, в которых важную роль играют микроорганизмы", — отмечает первый автор исследования Наташа Менезес Берго.

Помимо железа и марганца, корки богаты кобальтом, никелем, молибденом, ниобием, платиной, титаном и теллуром. Это весьма востребованные и дорогие металлы. Например, кобальт необходим для производства аккумуляторных батарей, а теллур — ключевой элемент для производства высокоэффективных солнечных элементов.

Металл из отходов

Ученые считают, что железобактерии, выделяющие жидкость, выщелачивающую металл, можно использовать не только на обогатительных фабриках, но и для очистки отходов горнодобывающей промышленности.

Такую технологию разработали чилийские биологи. Эксперименты показали, что при отсутствии другого источника питания бактерии Leptospirillum ferriphilum способны "съесть" железный гвоздь всего за три дня. При этом оставшийся раствор подходит для выщелачивания чистой меди из горной породы.

Использование этой технологии для борьбы с металлической и минеральной пылью, которую уносят сточные воды рудников, стало бы настоящим прорывом. Бактерии в этом случае способны прийти на смену вредным для окружающей среды кислотам и химикатам.

Техногенные отходы добывающих и металлургических компаний обычно не находят применения — их отправляют в отвалы и хвостохранилища, что создает проблемы как для самих производств, так и живущих рядом людей. При этом по содержанию металлов отходы часто сопоставимы с рудными концентратами. Например, окалина прокатного и кузнечного производств может содержать до 55-60 процентов железа.

Российские специалисты из НИТУ "МИСиС" разработали технологию переработки отвалов с помощью тионовых бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans и Acidithiobacillus thiooxidans, которые живут в кислой среде при температуре 20-30 градусов Цельсия. Метод позволяет утилизировать до 80 процентов металлургических и горнопромышленных отходов и получать высококачественные пигменты.

Сейчас группа продолжает исследования на предмет адаптации технологии к промышленному формату, а также извлечения магнитных порошков из железосодержащих техногенных отходов.