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.
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.
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.
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.
