Биологи из ФИЦ биотехнологии РАН изучили бактерии, найденные в реакторе для очистки городских сточных вод. Эти микроорганизмы адаптировались к жизни в кислой среде и приспособились перерабатывать богатые простыми сахарами органические отходы, выделяя водород. Найденная бактерия оказалась представительницей нового штамма вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum — SP-H2.
Фото: Антон Белицкий, Коммерсантъ
Фото: Антон Белицкий, Коммерсантъ
Продукты внутреннего сгорания загрязняют атмосферу, а цены на нефть постоянно растут. Альтернативой углеродному топливу могло бы стать водородное. Оно сжигается при участии кислорода, но вместо выделения токсичных веществ на выходе получается вода. Первый водородный транспорт уже начали выпускать крупные производители автомобилей: Audi, Toyota, Honda, Hyundai, Ford, BMW. Самым перспективным и безопасным для окружающей среды решением стало бы получение водородной энергии из возобновляемых источников, а не ископаемых, запасы которых быстро исчерпываются. В современной промышленности роль химических фабрик все чаще играют микроорганизмы, за миллионы лет эволюции приспособившиеся к переработке различных веществ и получению энергии буквально из воздуха, а нередко — не только без него, но и без света. Одну из разновидностей таких микроорганизмов и исследовали российские биотехнологи.
Биотехнологи обнаружили в сточных водах ДНК бактерии, которая разлагает строительные блоки углеводов и выделяет водород, а также этанол, ацетат и бутират. Чтобы разобраться, что это за микроорганизм, ученые провели анализ 16S rRNA. В этом участке последовательности ДНК закодирован кусочек рибосомы — структуры, занятой в клетке сборкой белка. Результаты показали, что бактерия относится к новому штамму вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. Исследование показало, что это теплолюбивый микроорганизм, который лучше всего себя чувствует и активно размножается при температуре 55–60 °C в слабощелочной среде с уровнем pH 7,5.
Ученые провели эксперименты, чтобы выяснить, из каких исходных веществ бактерии производят больше всего водорода. В «меню» Thermoanaerobacterim thermosacharolitycum SP-H2 оказались сахара: гексозы, состоящие из шестичленных углеродных «колечек» (мальтоза, глюкоза, манноза, фруктоза, лактоза, галактоза, сахароза, рафиноза и целлобиоза), и пентозы на основе колец из пяти атомов углерода (ксилоза и арабиноза). Также биотехнологи проверили, насколько хорошо бактерии чувствуют себя в богатых органикой жидких отходах предприятий: творожной сыворотке, стоках кондитерской фабрики и воде, оставшейся от свекловичного жома. Самый большой выход водорода дала мальтоза, чуть меньше — лактоза и целлобиоза. Из стоков предприятий лучшими вариантами оказались сыворотка и отходы кондитерского производства.
Юрий Литти, к.б.н., заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН:
— Как обнаружили новый микроорганизм?
— В рамках выполнения гранта, направленного на более эффективную переработку органических отходов, авторами работы была создана и запущена крупная лабораторная установка двухстадийного анаэробного сбраживания, состоящая из последовательно работающих кислотогенного и метаногенного реакторов. Несмотря на очень высокую кислотность (низкий рН) в первом кислотогенном реакторе, в нем наблюдалось значительное образование водорода. Это натолкнуло на мысль о наличии высокоэффективных водород-образующих бактерий в микробном сообществе реактора. Молекулярный анализ микробного сообщества показал доминирование одного микроорганизма. Попытка выделить этот микроорганизм в чистую культуру методом предельных разведений увенчалась успехом. Микроорганизм идентифицировался как новый штамм известного суперпродуцента водорода. Новый микроорганизм отличался от ранее описанных высокой водород-продуцирующей активностью при низких рН.
— Как микроорганизмы перерабатывают органические отходы и выделяют водород?
— Среди известных биологических способов получения водорода из органических соединений выделяют светозависимые и темновые. Преимущества использования второго способа — высокая скорость процесса, относительная простота и универсальность. Механизм образования водорода основан на том, что для получения энергии в бескислородных условиях бактериям-бродильщикам необходимо сбрасывать лишние электроны, образующиеся при окислении органических соединений. Некоторые бактерии для этих целей используют протоны. Сбрасывая на них электроны, образуется газообразный водород. В зависимости от микроорганизма, используемых субстратов, условий окружающей среды (фазы роста культуры, наличия конкурентов, концентрации метаболитов, рН и т. д.) удельный выход газообразного водорода может значительно варьировать. Задача биотехнолога — подобрать условия для обеспечения стабильного процесса с максимальным удельным выходом водорода.
— Могут ли другие микроорганизмы делать что-то похожее?
— Образование газообразного водорода микроорганизмами — распространенное явление в природе. Например, микроводоросли и цианобактерии выделяют водород в результате фотосинтеза. Фотогетеротрофные бактерии могут отщеплять водород от молекул воды, используя угарный газ в качестве источника углерода. Водород также образуется некоторыми микроорганизмами как побочный продукт при фиксации атмосферного азота. Биологическим, но непрямым способом образуется водород на биокатоде в микробных электролизных ячейках при окислении органических соединений на биоаноде. Список описанных на сегодняшний день микроорганизмов, способных производить водород из органических отходов, достаточно широк. Они были обнаружены в самых разных местах обитания, начиная от компостных куч, очистных сооружений и экскрементов животных до более экзотических, таких как термальные источники или нефтяные скважины. Эти микроорганизмы различаются между собой предпочтениями в субстратах, оптимальными температурами и многими другими параметрами. В зависимости от специфики (скажем, для получения водорода из горячей сточной воды целлюлозно-бумажного комбината, имеющей высокую щелочность или кислотность) можно подобрать наиболее подходящий микроорганизм или сообщество микроорганизмов. Поэтому продолжает быть актуальным поиск новых микроорганизмов и более глубокое изучение их метаболических возможностей. Это позволит расширить спектр отходов, которые можно перерабатывать с получением водорода.
— Расскажите подробнее о том, как ученые исследуют возможности новых микроорганизмов.
— Сегодня у исследователей имеется большой арсенал методов изучения возможностей новых микроорганизмов. Классические методы предполагают выделение микроорганизма в чистую культуру и дальнейшие исследования его фенотипических и физиолого-биохимических характеристик. С разработкой молекулярных методов идентификации микроорганизмов, секвенирования их полных геномов, возможности исследования значительно расширились, что, в частности, привело к открытию новых генов, ферментов и других активных соединений. Важным преимуществом молекулярных методов является то, что нет строгой необходимости выделения микроорганизма в чистую культуру. Это особенно актуально в свете того, что, по последним данным, культивируемые микроорганизмы составляют менее 1% от известных на сегодняшний день. Также молекулярные методы позволяют лучше понять экологию микроорганизмов. Это крайне важно для экобиотехнологии, так как в микробном сообществе продукты метаболизма микроорганизмов часто не накапливаются, а практически сразу используются другими микроорганизмами. Соответственно, свойства микроорганизмов, присущие для них в чистых культурах, могут кардинально поменяться в микробных сообществах, например в интересующих нас реакторах переработки органических отходов или очистки сточных вод.
— В какой сфере могут быть использованы эти свойства микроорганизмов?
— Свойства микроорганизмов могут быть использованы в самых разнообразных сферах. В частности, водород-продуцирующие бактерии помимо выработки водорода в ходе своей жизнедеятельности образуют еще ряд полезных растворимых продуктов с высокой добавленной стоимостью, таких как этанол, лактат, сукцинат, 2,3-бутандиол, короткоцепочечные жирные кислоты. Эти продукты считаются ценными строительными блоками для химической промышленности. Они могут использоваться сами по себе или могут служить предшественниками для синтеза широкого спектра биопродуктов (спиртов, альдегидов, кетонов, органических кислот с удлиненной цепью и др.), что влечет за собой применение в различных областях, включая производство растворителей, клеев, пищевых добавок, косметических и фармацевтических препаратов. Таким образом, использование водород-продуцирующих бактерий представляет значительный интерес и потенциал в концепции циркулярной экономики, направленной на максимальное извлечение энергии и ресурсов из органических отходов.
Использованы материалы статьи.