Бактерии превратят отходы в топливо
Российские ученые разработали схему уникального биореактора. Живущие в нем микроорганизмы способны превращать отходы из сточных вод в биотопливо. Об этом проекте рассказала доктор биологических наук Елена Лобакова на форуме «Россия, вперед!», прошедшем 13-14 декабря 2010 года в Московской школе управления «Сколково».
Одна из самых актуальных проблем, с которой человечество столкнулось в последнее время, – очистка сточных вод. Дело в том, что она до сих пор не имеет окончательного решения — никому из ученых не удалось предложить такой способ очистки, который навсегда избавил бы земные реки и озера от отходов, выделяемых человеком, среди которых первое место занимают органические вещества. Причем при увеличении количества людей их доля в загрязняющих природные водоемы стоках увеличивается в геометрической прогрессии.
Казалось бы, очистить воду от органики достаточно просто — стоит лишь призвать на помощь древних помощников человечества, то есть микроорганизмы. То, что для нас отходы, для них – пища, поэтому они с удовольствием возьмутся уничтожать органические вещества в сточных водах. Но это в теории, а на практике дело обстоит гораздо сложнее.
Микробные сообщества являются весьма любопытными экосистемами со своими специфическими межвидовыми отношениями, о которых мы до сих пор, если честно, практически ничего не знаем. И, следовательно, не можем предсказать, каким образом будет развиваться сообщество «добровольных ассенизаторов». Вдруг наши отходы стимулируют появление мутаций, которые в итоге «родят» возбудителя невиданной доселе смертоносной болезни? Или «пробудят» у бактерий гастрономический интерес к пластмассам и другим синтетическим полимерам?
Поэтому, не зная броду, ученые вовсе не спешат соваться в воду, что вполне разумно. Но в то же время игнорировать проблему накопления отходов из сточных вод в природных водоемах и в почве уже нельзя: если так пойдет дальше, на планете в ближайшее время образуется существенный дефицит питьевой воды. Поэтому в настоящее время ученые разных стран активно занимаются поиском решения этой проблемы.
Российские исследователи тоже не сидят сложа руки (хотя нашей стране подобный дефицит, в общем-то, не угрожает), а разрабатывают различные способы контроля над сообществами микробов-очистителей. Один из таких проектов был представлен на форуме «Россия, вперед!», прошедшем 13-14 декабря 2010 года в Московской школе управления «Сколково». Его представила заведующая кафедрой биологического факультета МГУ им. Ломоносова, доктор биологических наук Елена Лобакова. Его сущность состоит в создании микробных сообществ с заданными техногенными свойствами.
Елена Лобакова напомнила, что эволюция микромира в большей степени, чем макромира, идет по пути сотрудничества и кооперации между его обитателями. В результате возникают сложные сообщества, главная задача которых — наиболее эффективное использование пищи. Таким образом, в отличие от макромира, эти сообщества практически не производят отходов — все, что не съедят одни, сразу же используют другие его участники.
В последнее время ученые обнаружили, что микроорганизмам также присуще социальное поведение. Правда, выражается оно не в виде звуковых сигналов или языка жестов, а как система обмена сигнальными веществами. Микробиологам удалось расшифровать состав большинства молекул, принимающих участие в этих «социо-химических» коммуникациях. Это дает возможность управлять развитием и деятельностью прокариотных (то есть состоящих из бактерий) экосистем.
На этой основе был разработан проект «Микробные топливные элементы». В нем планируется использовать два модульных блока микроорганизмов. Один из них состоит из гетеротрофных (то есть питающихся готовой органикой) бактерий, которые будут потреблять отходы из сточных вод. Второй же представляет собой комплекс из гетеротрофов и фототрофов (микроорганизмов, способных создавать органические вещества, используя энергию солнечного света).
При этом в каждом из блоков должен находиться не один или два вида бактерий, а целая прокариотная экосистема, способная без остатка утилизировать первичный ресурс, то есть органику из сточных вод. От обитателей первого модульного блока ученые намерены с помощью добавления коммуникационных сигнальных веществ добиться максимального разложения отходов, так, чтобы от них в конце концов остались лишь биогенные элементы, то есть азот, фосфор и т. п.
При этом важно, чтобы численность обитателей экосистемы первого блока не особенно быстро росла, иначе им просто не хватит ресурса и все сообщество вымрет или разовьется во что-то непредсказуемое. Поэтому следует так подобрать «химические команды», чтобы микроорганизмы превратились практически в ферментативные машины, но при этом не сильно увеличивались в числе. Возможно, также следует провести генную модификацию некоторых членов ассоциации, которая затормозит рост их численности, сохранив при этом способность разлагать органику.
Обитатели же второго блока будут проводить так называемую доочистку. Гереотрофы разложат то, что «пропустили» жители первого блока, а фототрофы, которыми будут специально подобранные цианобактерии (известные также как сине-зеленые водоросли), заберут биогенные элементы для фотосинтеза. Однако здесь уже никто не станет сдерживать рост их численности, наоборот, ученые с помощью все тех же химических сигналов будут стимулировать сообщество наращивать биомассу.
Елена Лобакова заметила, что, в зависимости от свойств, заданных с помощью генных модификаций обитателям второго блока, они будут накапливать в своих клетках определенные вещества, которые потом люди смогут использовать в своих целях. Например, некоторые цианобактерии могут накапливать в своих клетках липиды (проще говоря, жиры), которые составляют более 50 процентов их биомассы. В дальнейшем данные липиды можно будет использовать как биотопливо. Можно также «заставить» фототрофов накапливать нужные сахара, белки и даже редкие микроэлементы, например ванадий и селен. Также ученые надеются, что поскольку для фотосинтеза цианобактерии используют углекислый газ, то стремительное увеличение численности жителей второго блока сможет помочь в борьбе с выбросами данного вещества в атмосферу (чем больше будет бактерий, тем меньше CO2 попадет в атмосферу из труб промышленных предприятий).
Таким образом, именно бактерии смогут осуществить давнюю мечту человечества и превратить отходы в доходы. Просто для этого нужно научиться управлять их деятельностью. Что микробиологи уже умеют.
Данный проект будет разрабатываться в линк-лаборатории биологического факультета МГУ при поддержке фонда «Сколково». Если все пойдет удачно, то скоро российские биологи смогут представить свой уникальный «биореактор» всему человечеству, которое, как мы помним, в последнее время весьма озабочена и проблемой очистки сточных вод, и нехваткой топлива.