Командная работа против бензола

Канцерогенное вредное вещество бензол может серьезно загрязнять почву и грунтовые воды после химических аварий или на старых промышленных площадках. Тем не менее, существуют бактерии, способные разлагать это соединение даже в отсутствие кислорода. До сих пор не было ясно, какие организмы участвуют в этом процессе и как они работают вместе.

С помощью современных аналитических методов ученым из Центра экологических исследований им. Гельмгольца (UFZ) впервые удалось проследить путь этого вредного вещества через такое бактериальное сообщество с помощью белков. Оказалось, что сотрудничают три команды микробных "утилизаторов" вредных веществ, каждая со своими задачами. В профессиональном издании ISME Journal исследователи заявляют, что этот метод также может помочь прояснить сложные процессы в других бактериальных сообществах.

Бензол — "горячее" вредное вещество

Бензол имеет особое значение для окружающей среды, так как это соединение канцерогенно и повреждает центральную нервную систему. Более высокие концентрации могут привести к потере сознания и параличу дыхания, а низкие концентрации также могут нанести вред здоровью.

Источников загрязнения много: от химических аварий до нефтеперерабатывающих заводов, АЗС и оживленных дорог. Исследователи UFZ много лет изучают возможности восстановления таких загрязненных территорий. "В Германии проблемы, вызванные этим вредным веществом, безусловно, снижаются в течение многих лет", — говорит Мартин фон Берген, глава отдела протеомики UFZ. Однако это не относится к другим странам: "В Китае, например, загрязнение растет драматически". Так, в ноябре 2005 года около 100 тонн бензола попали в реку Сунгари после аварии на химическом заводе, что привело к образованию токсичного шлейфа длиной 80 км.

Бактерии, способные разлагать такое загрязнение, существуют. При достаточном количестве кислорода это происходит относительно быстро. Однако, когда вещество просачивается в землю, оно вскоре достигает регионов с малым количеством кислорода или без него. "И никто точно не знает, что там происходит", — говорит Мартин фон Берген. Ясно, что разложение все же происходит даже в отсутствие кислорода, как показали более ранние исследования UFZ. Однако первый шаг биологической атаки на бензол до сих пор остается загадкой.

Поиск доказательств в микробной сфере

Новое исследование, в котором сотрудничали ученые отделов почвенной экологии, экологической микробиологии, изотопной биогеохимии и протеомики, впервые показало довольно подробную картину сообщества "утилизаторов" бензола.

"Речь шла не об идентификации каждого отдельного участвующего вида", — объясняет Мартин фон Берген. В микробной сфере "вид" — довольно расплывчатое понятие. Важнее дифференцировать группы с разными функциями. "Бактерии — командные игроки", — говорит ученый. Для разложения бензола требуется сотрудничество микроорганизмов с разными "талантами".

Чтобы исследовать это разделение задач, исследователи взяли пробы загрязненных подземных вод в Цайце (бывший завод по гидрогенизации) для анализа в лаборатории. Там они подвергли белки организмов изотопному анализу. Этот метод основан на существовании в природе двух различных стабильных изотопов углерода: более легкого и часто встречающегося 12C и более тяжелого 13C. Исследователи предложили бактериям молекулы бензола, обогащенные тяжелым изотопом, а затем изучили, в какой степени организмы включили этот изотоп в свои белки, анализируя фрагменты белков с помощью масс-спектрометра.

"Это исследование дает нам два интересных типа информации", — объясняет Мартин фон Берген. Во-первых, сравнивая с базами данных, можно определить, к каким бактериальным группам принадлежат фрагменты белков. Для проверки этих результатов исследователи также использовали современные методы для изучения генетического материала микробного сообщества.

Однако второй результат изотопных анализов был еще интереснее, так как он раскрывает информацию о метаболизме отдельных организмов. Решающее значение имеет количество 13C, обнаруженное в белках как функция времени. "Здесь есть типичные паттерны в зависимости от источника питания", — объясняет ученый.

Команда "утилизаторов" вредных веществ

Исследователям удалось идентифицировать три группы бактерий:

1. Группа 1: 13C-содержание сразу резко возрастает, а затем почти не увеличивается. Эти микробы питаются непосредственно 13C-бензолом.
2. Группа 2: более высокие концентрации изотопа в белках обнаруживаются только в течение более длительного периода времени. Эти организмы питаются не самим вредным веществом, а продуктами его разложения.
3. Группа 3: концентрация 13C остается на низком уровне все время. Это, предположительно, падальщики, которые живут за счет останков других бактерий.

"Таким образом, нам удалось проследить путь атомов бензола через все бактериальное сообщество", — говорит Мартин фон Берген. Исследователи не только выяснили, кто что потребляет и в каких количествах, но и узнали больше о том, как функционирует сотрудничество между разными командами бактерий. Так, бактерии, питающиеся напрямую, для разложения бензола, предположительно, производят ацетат и водород. Однако они должны выделять оба вещества, так как в противном случае они ингибируют их метаболизм. Здесь им на помощь приходят организмы второй группы, которые используют ацетат в качестве источника углерода и удаляют водород.

Новый взгляд на осадок сточных вод и кишечный тракт

"Такое сотрудничество, конечно, существует не только среди "утилизаторов" бензола", — говорит Мартин фон Берген. С помощью своих методов он и его коллеги надеются проанализировать другие сложные бактериальные сообщества. Например, можно исследовать сотрудничество разных микробов в биогазовых установках или в осадке сточных вод. Понимание этих процессов позволит лучше контролировать работу таких установок.

Такие исследования также могут дать новые знания для медицины. Известно, например, что у худых людей в желудочно-кишечном тракте другие микроорганизмы, чем у людей с ожирением. Кроме того, бактериальная флора, по-видимому, также влияет на иммунную систему.

"Бактериальные сообщества живут повсюду, от цветочного горшка до человеческого тела", — подводит итог Мартин фон Берген. Ранее микробиологи исследовали в основном то, какие организмы где встречаются. Однако теперь они хотят больше знать об их деятельности и сотрудничестве. Для Мартина фон Бергена и его коллег эта "функциональная биоразнообразие" является многообещающей темой для будущих исследований.