Ученые используют бактерии для очистки водоемов

В лаборатории имени Джона Коутса в Калифорнийском университете (США)  кипит работа. Под гул морозильных камер и бульканье жидкого азота аспиранты методично измеряют и смешивают сложные составы. Но все это ничто по сравнению с тем, что происходит на микроскопическом уровне.

В лаборатории выращивается множество различных видов бактерий, с пугающей быстротой размножающихся в чашках Петри. Однако эти бактерии не представляют опасности для людей или животных, а наоборот помогают разложить опасные химикаты, которыми загрязнены многие водоемы в США.

Так, вещества, называемые перхлоратами, используемые в ракетном топливе, боеприпасах и фейерверках, весьма опасны для людей и животных, поскольку нарушают работу щитовидной железы. Данные вещества легко растворяются в воде и могут оставаться в водоемах и почве десятилетиями. Более того, перхлораты отравляют рыбу и амфибии в реках, и способны изменить развитие гонад у некоторых животных. Однако некоторые бактерии, включая несколько видов Dechloromonasand Azospira, расщепляют перхлораты на хлор и кислород. Таким образом, данные микроорганизмы могут помочь в очистке загрязненных вод.

Сама по себе задача весьма сложная, учитывая существование различных видов загрязнителей — промышленных химикатов, пестицидов, гербицидов, удобрений, металлов и т.д., и никакой микроорганизм не способен разложить их все. Вдобавок к этому применение бактерий усложняется созданием необходимых для их выживания условий, зачастую труднодостижимых в водоочистных системах.

Решением проблемы может стать использование биореактора, подобного резервуару для брожения пива, где вместо дрожжей, превращающих сахар в алкоголь и углекислоту, специальные бактерии превращают опасные перхлораты в хлор и кислород. После этого вода фильтруется и стерилизуется от бактерий. Подобные биореакторы уже с успехом применяются в нескольких водоочистительных станциях в Калифорнии, Канзасе, Техасе и Юте. Поражает и производительность подобных установок — так, биореактор на станции в калифорнийском городе Риалто способен обеззараживать до 2 тыс. галлонов (свыше 7500 л) загрязненной воды в минуту, или свыше 1 млрд. галлонов (свыше 3,7 млрд. л) в год.

Переработка урана

Биореактор, разработанный Брюсом Риттманном из Центра экологической биотехнологии при Университете штата Аризона, способен не только удалять из воды перхлорат и трихлорэтилен, но и уран и другие металлы, часто попадающие в водоемы возле урановых рудников. Уран, в свою очередь, вреден для почек человека, а также способен снижать репродуктивные способности рыбы в реках.

Бактерия не способна уничтожить или разложить уран, однако он может превратить его в форму, которую куда легче выделить из воды. Во время испытаний реактор удалил порядка 95% урана из загрязненной воды. По словам создателя, постройка полноценного реактора на ныне действующих рудниках вполне реальна, поскольку последние уже оборудованы системой по очистке воды. Другое дело заброшенные шахты, лишенные данных систем, а таких шахт в США свыше 4 тыс. штук. Между тем, по словам Брюса Риттманна, биореактор также может очищать воду на рудниках драгоценных металлов, включая серебро, золото и палладий.

Энзимы

Но что, если нам нужно избавиться от загрязнителей в местах, где строительство биореакторов невозможно — например, в сельскохозяйственных полях, где осадки вымывают пестициды в водоемы? Колин Скотт, глава Государственного объединения научных и прикладных исследований Австралии, возможно, знает ответ.

Так, ключом к решению могут стать энзимы — выделяемые бактериями особые белки, выполняющие роль биологических катализаторов, способные расщеплять загрязнители вроде пестицидов и гербицидов. Энзимам не требуются особые условия, как бактериям, и они не нарушают баланс чувствительных экосистем.

Пока что энзимы не нашли массового применения, однако уже успешно прошли полевые испытания. Так, энзим OP-A способен разложить органофосфатные инсектициды, вызывающие у человека дефицит внимания, координации и памяти. Во время полевых тестов OP-A всего за 8 часов удалил из воды 99% хлорпирифоса — пестицида, нарушающего развитие мозга у детей. Сразу после этого испытания исследователи создали улучшенную версию энзима, получившую название A900.

Между тем точечное действие энзимов является как их преимуществом, так и недостатком. Так, с одной стороны из-за избирательности действия, энзимы не имеют побочных эффектов на животных и растениях. С другой стороны, из-за тысяч различных загрязнителей нам потребуется множество различных энзимов для борьбы с ними. После выбор соответствующего энзима исследователям предстоит разработать наиболее экономически эффективный способ его массового производства, а учитывая биоразлагаемость данных белков, также нужно будет добиться и необходимый срок действия последних. Наконец, нужно будет убедиться в том, что компоненты, на которые разлагается целевой загрязнитель, в свою очередь сами не являются токсичными и не навредят окружающей среде.

Еще много работы

Таким образом, исследователям еще предстоит много работы. В то время, как бактерии, разлагающие перхлораты, уран и некоторые пестициды, уже известны, пока еще не обнаружено средства для борьбы с такими загрязнителями, как перфторалкильные и полифторалкильные химические вещества, вызывающие дисфункцию иммунной системы и рак, равно как и фармацевтические препараты, эффекты которых еще не до конца изучены.

Другая проблема лежит в правовой области. Зачастую вопрос заключается не в том, чтобы использовать биоремедиацию или альтернативные методы, но в том, нужно ли вообще что-либо делать. Многие из загрязнителей, включая некоторые пестициды, цианотоксины и растворители, контролируются Агентством по охране окружающей среды США, но не регулируются. Без установленных допустимых концентраций данных химикатов в питьевой воде ни у кого не появляется стимула тратить деньги, пытаясь от них избавиться. Хотя биоремедиация зачастую дешевле альтернативных методов, в краткосрочной перспективе она все же дороже, чем бездействие. Поэтому для борьбы со многими загрязнителями, включая пестициды, так ничего и не было сделано.

Однако благодаря продолжающейся работе ученых и более строгим стандартам воды бактерии в конечном итоге могут изменить ситуацию в общественном здравоохранении.