Оренбургский государственный университет

Биотехнологические аспекты использования биоремедиаторов в экологических системах различного уровня организации

Проект № FSGU-2023-0007

Руководитель — Сальникова Е.В.

Отчет за 2023 год

Глобальная индустриализация оказывает негативное воздействие на окружающую среду различными загрязнителями, включая тяжелые металлы. Поэтому необходимо разработать экологически безопасные, эффективные и дешевые методы снижения уровня токсического действия тяжелых металлов на окружающую среду и живые организмы.

Большинство экспериментальных исследований, представленных в современной литературе, свидетельствует о выраженной способности бактериальных клеток сорбировать практически весь спектр как жизненно важных, так и токсичных элементов из группы тяжелых металлов, что в свою очередь позволяет их использовать как универсальные биотехнологические комплексы (моно- и поливалентные бактериальные препараты с выраженным синергетическим эффектом) при создании препаратов микронутриентов.

Цель исследования — поиск и исследование методологических подходов использования биосорбционного потенциала микроорганизмов для детоксикации тяжелых металлов в отношении живых систем различного уровня организации с учетом биогеохимических особенностей и уровня техногенной нагрузки территорий.

Анализ литературных данных показал, что в качестве биоремедиаторов могут быть использованы различные родовые группы: Acinetobacter, Actinobactera, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Beijerinckia, Flavobacterium, Methylosinus, Mycobacterium, Mycococcus, Nitrosomonas, Nocardia, Xanthobacter, Penicillium, Phanerochaete, Pseudomonas, Rhizoctonia, Trametes, Serratia и другие. На ряду с почвенными и водными микроорганизмами активно ведутся исследования, направленные на оценку биоаккумулирующих характеристик представителей резидентной нормофлоры кишечника (Enterobacter cloacae, E. faecium, Lactobacillus sp., E. coli и др.).

С использованием квантово-химических методов моделирования была рассмотрена вероятность образования металлокомплексов в клетке. Полученные в ходе реализации данного этапа результаты указывают на то, что наиболее устойчивый комплекс, по значениям свободных энергий образования (ΔG), образуется с сахарами (галактозой, рамнозой, маннозой) и моделируемыми участками поверхностных структур микроорганизмов (мурамовой кислотой, глюкозамином и полярными остатками фосфолипидов). Можно предположить, что металл сначала адсорбируется на поверхности, а затем транспортируется внутрь клетки. Установлено, что устойчивость комплексов увеличивается в ряду с Cd < Zn < Cu, следовательно, накопление меди должно идти интенсивнее по сравнению с другими металлами.

Второй этап направлен на оценку металл-толерантности и уровня сорбции эссенциальных (железо, цинк, медь) и ксенобиотических (свинец, кадмий) элементов различными микроорганизмами, условно разделенных на две группы по источнику выделения: пробиотические штаммы и изолированные культуры (почвенные и автохтонные представители кишечной микрофлоры). Обобщенный анализ экспериментальных данных по оценке уровня резистентности исследуемых штаммов в отношении солей тестируемых элементов свидетельствует о выраженной взаимосвязи между концентрацией вводимого химического вещества (от 1 моль/л до 0,125 моль/л) и зоной ингибирования роста бактериальной популяции. При этом наиболее выраженными бактерицидными свойствами обладают химические соединения кадмия, меди и железа.

Однако в других исследованиях при анализе оценки степени влияния исследуемых элементов на динамические показатели роста микроорганизмов в условиях периодического культивирования в жидких субстратах было выявлено «стимулирующее» действие свинца и железа на рост популяции клеток. Данное явление гипотетически обусловлено высоким потенциалом сорбции данных элементов на поверхностных структурах клетки, вследствие чего изменяется их уровень проницаемости (оптической плотности), что визуализируется при построении графиков как факторы активации ростовых характеристик. Присутствие в питательной среде катионов кадмия и меди, напротив, значительно пролонгирует время выхода популяции на фазу максимальной концентрации роста, со значительным снижением уровня оптической плотности по отношению к интактным образцам (p ? 0,05; p ? 0,01; p ? 0,001). Использование атомно-силовой микроскопии с модифицированной методикой пробоподготовки (культивирование на плотных питательных средах) позволило установить незначительные морфологические отклонения у отдельных представителей популяции, проявляющиеся разобщенностью клеток (отсутствие цепочечного взаиморасположения для Bacillus sp.) и появлением укороченных форм вегетативных клеток. Концентрирование металлокомплексов регистрируется как в структуре популяции (биопленке), так и на поверхности бактериальных клеток. Уровень сорбции исследуемых элементов распределился следующим образом: Pb (до 65,0 %) > Fe (до 47,9 %) > Zn (до 42,5 %) > Cu (до 10,3 %) > Cd (до 7,1 %) для представителей рода Bacillus sp. и Fe (до 68,7 %) > Pb (до 65,0 %) > Zn (до 40,3 %) > Cd (до 33,2 %) > Cu (до 11,4 %) для представителей резидентной нормофлоры кишечника крыс и пробиотических штаммов.

Проведенные исследования в рамках проекта позволили установить высокий уровень достоверной корреляционной зависимости между уровнем толерантности бактериальных штаммов к тяжелым металлам и их сорбционными характеристиками. Для проведения дальнейших исследований отобраны бактериальные штаммы, обладающие высокими показателями биоаккумуляции большинства тестируемых элементов (полиметалльная устойчивость).