«Микробы могут практически все»

Микробы из содовых озер, глубинных осадочных отложений и вечной мерзлоты помнят времена, когда на Земле еще не было ни лесов, ни животных. В лаборатории реликтовых микробных сообществ ФИЦ Биотехнологии РАН изучают эти древние экосистемы, чтобы понять, как невидимые сообщества когда то формировали атмосферу планеты и как сегодня помогают очищать сточные воды и перерабатывать отходы. Руководитель лаборатории Николай Пименов в интервью объединенной редакции проектов «Индикатор» и InScience.News рассказывает, что такое «реликтовые» микробы, как они выживают в содовых озерах и подземной биосфере, почему без них не будет чистой воды и могут ли те же сообщества в перспективе помочь экосистемам пережить техногенные катастрофы вроде разлива мазута под Анапой.

– Вы возглавляете лабораторию реликтовых микробных сообществ ФИЦ Биотехнологии РАН. Я – астрофизик по образованию, у нас есть термин – «реликтовое излучение». Есть общеизвестный термин «реликтовые леса». А что означает термин «реликтовые микробы»? Где они встречаются в природе? Отличаются ли они от современных микробных сообществ?

– Начнем с того, что достаточно сложно оценить возраст микроорганизмов. С некоторым допущением можно считать, что практически большинство микробных сообществ, которые сегодня заселяют природные экосистемы, они реликтовые, поскольку возникли достаточно давно и функционировали на протяжении многих тысячелетий. Этот термин был предложен Георгием Александровичем Заварзиным для названия своей лаборатории. Он был одним из корифеев отечественной микробиологии, и очень много направлений, которые до сих пор актуальны, он разрабатывал и был их основоположником. В частности, он увлекался эволюцией микроорганизмов. Он интересовался даже не сколько происхождением, откуда они взялись, а тем, каким образом развивалось микробное сообщество на нашей планете, и какую роль эти микроорганизмы играли в становлении того газового состава атмосферы, который сейчас есть у нас – это появление кислорода за счет фотосинтеза и углекислоты при дыхании, других газов, что приносит вулканическая деятельность.

Заглядывая в далекое прошлое, включая данные палеоисследований, Георгий Александрович пришел к выводу, что на нашей планете существовали условия, когда озера, водные системы, были содовые. В составе морской воды преобладает обычная соль, NaCl. А он предположил, что многие миллионы лет назад на нашей планете существовали водоемы, обогащенные содой, и он назвал это «содовый континент». И такие озера дошли до нашего времени в виде содовых озер, которые встречаются и на нашей территории, и на территории других стран. Такие содовые озера, где основная соль – карбонат натрия в высоких концентрациях – это гиперсоленые водоемы, только насыщенные не хлоридом натрия, а содой, и поэтому у них очень высокое значения pH 9-11. Тем не менее, в таких щелочных озерах, где, казалось бы, жизнь невозможна, присутствуют развитые микробные сообщества. И он предположил, что много миллионов лет назад такие системы существовали на нашей планете и, самое главное, в них протекали все основные геохимические процессы круговорота биогенных элементов, которые сегодня происходят на нашей планете. Как аналог таких древних сообществ и были выбраны эти озера для изучения. Так возник термин «реликтовые», то есть это те системы, которые произошли много лет назад, и которые играли важную роль на том этапе развития жизни на нашей планете, и они фактически функционируют до сих пор. И там действительно есть микроорганизмы, способные как образовывать органическое вещество, то есть первичные продуценты, цианобактерии, так и микроорганизмы, осуществляющие разные стадии деструкции и минерализации органического вещества.

Еще хорошие примеры – мы научились бурить нашу планету как на суше, так и в океане, а значит, можем доставать образцы из глубоких слоев осадочных или почвенных отложений. Мы можем попасть туда, где микроорганизмы встречаются, и они там функционируют, практически изолированно от поверхности Земли. Поэтому можно сказать, что это – те сообщества, которые живут многие тысячелетия без нашего реального воздействия. Вот так возник термин «подземная биосфера», ну а микроорганизмы там тоже реликтовые.

Ну и последний момент, что мы сегодня имеем – это криолитозона (верхняя часть земной коры с отрицательной температурой почв, отложений, горных пород, с наличием или возможностью существования подземных льдов – примечание редакции). Видим и оттаивание мерзлых пород в связи с глобальным потеплением, но это высвобождение тех микроорганизмов, которые были в неактивном состоянии. И их, которые провели в анабиозе не одну сотню лет, мы сравниваем с теми микроорганизмами, что нас окружают.

Итак, термин – «реликтовые микробные сообщества» – в действительности отражает те микроорганизмы или те микробные сообщества, которые жили на нашей планете на протяжении многих тысячелетий и сохранились до сих пор и сейчас функционируют.

– Вы много работаете с микробными сообществами, которые участвуют в очистке сточных вод и переработке загрязнителей. Если объяснять на пальцах, как происходит такая очистка воды или переработка отходов? Почему с точки зрения этих процессов науке могут быть особенно интересны древние, реликтовые экосистемы?

– Начнем с того, что в микробиологии есть целое направления – водная микробиология. Я начинал свои исследования микробного мира с изучения механизмов проникновения сахаров в клетки прокариот. Но после окончания аспирантуры практически сразу перешел в лабораторию Михаила Владимировича Иванова, академика РАН – ведущего ученого в области изучения геохимической деятельности микроорганизмов в водных экосистемах, который долгое время возглавлял Институт микробиологии. На тот период его научные интересы были связаны с изучением микробиологических процессов в морских эксистемах. Поэтому я после окончания аспирантуры пришел к нему в лабораторию и в течение нескольких десятков лет участвовал во многих морских экспедициях, изучая микробные процессы круговорота углерода и серы в океане. Сейчас, конечно, немножечко изменилась ситуация, и рейсов стало меньше, и статус мой изменился. Тем не менее у меня остался интерес к водным экосистемам. А любые очистные сооружения можно рассматривать как сильно загрязненный водоем. При этом роль микроорганизмов в процессах очистки сточных вод - огромна.

Даже в таком мегаполисе, как Москва, система очистки основана на микробиологических процессах. Почему именно так, ведь, казалось бы, есть много физико-химических методов, можно использовать фильтрацию, озонирование, химическое осаждение и др.. Да, фильтрация существует, это необходимый этап очистки сточных вод. Но оказывается, микроорганизмы умеют сорбировать и разлагать гигантское количество органических загрязнителей и других соединений, которые присутствуют в сточных водах, и тем самым очищать эту воду. Поэтому основная очистка происходит в так называемых аэротенках – это огромные резервуары, куда подается сточная вода со всеми загрязнителями. Туда, как в любом аквариуме, идет подача воздуха, и микробы очень активно работают и очищают загрязненную воду. В итоге я сейчас трачу немало времени на изучение прикладных аспектов водной микробиологии, то есть использования микроорганизмов для очистки сточных вод. Здесь есть некоторые относительно новые и еще не до конца исследованные микробиологами процессы, которые сейчас актуальны. Например, процесс очистки сточных вод от соединений аммония или соединений фосфора. Вот сейчас мы и занимаемся такими проблемами.

– А в этой теме все же конечное число вопросов, у нас уже есть заведомо эффективные параметры очистки или есть, куда стремиться?

– Ну я думаю, что все хорошо понимают, что проблема чистой воды для человечества, для всей планеты – одна из важнейших. Если вода будет грязная, человечество просто не сможет выжить. Количество смертей будет связано с проникновением в организм человека отравляющих веществ разного происхождения. Но вот я уже сказал, что микробы могут практически все, и поэтому сегодня очистка воды в большинстве своем основана не на химических процессах. То есть дополнительно – это может быть и обработка ультрафиолетом, озоном и так далее. А основной процесс – как раз микробиологический, и такие процессы происходят, как я уже говорил, в аэротенках. Но есть еще нюансы – не так давно открыт процесс анаммокс. Речь идет про очень необычную группу микроорганизмов – анаммокс бактерии, которые умеют окислять аммоний нитритом. Там непростая биохимия процесса, но самое главное – процесс не требует кислорода, накапливает минимальную биомассу и очень эффективен. С

ейчас технологическая схема утилизации избыточного активного ила, образованного в аэротенках, используется для получения биогаза, метана, который используется как топливо. Избыточный активный ил не вывозится на свалку, а направляется в метантенки, расположенные прямо на территории очистных сооружений Мосводоканала, где уже в анаэробных условиях происходит анаэробное сбраживание активного ила - фактически микробной биомассы, образуемой в аэротенках, и результатом является образование метана. Сточная вода из метантенков содержит высокие концентрации аммония и требует дополнительной очистки. Чтобы снизить нагрузку на очистные сооружения, мы участвовали в разработке технологии Анаммокс для очистки сточных вод, обогащенных аммонием. Мы даже запустили на территории Люберецких очистных сооружений совместную пилотную установку Анаммокс, которая показала свою эффективность. В настоящее время на Мосводоканале уже строятся крупные очистные сооружения на основе процесса анаммокс, правда, там взяты за основу зарубежные технологии. Тем не менее, мы эти работы продолжаем, у нас есть идеи создания мобильных установок для очистки сточных вод от аммония после метанового сбраживания, чтобы уменьшить нагрузку на очистные сооружения при переработке органических отходов сельскохозяйственного производства. В пищевой промышленность тоже такие варианты рассматриваются.

– Недавний разлив мазута под Анапой привлек внимание к тому, как экосистема справляется с техногенными катастрофами. Могут ли такие микробные сообщества, которыми вы занимаетесь, в перспективе помочь в ликвидации подобных загрязнений?

– Здесь несколько иной подход. Нефть в принципе очень неплохо используется микробами, есть целая группа микроорганизмов, способных утилизировать углеводороды. На основе этих микроорганизмов созданы десятки биопрепаратов для того, чтобы очищать почву и водоемы после аварий на нефтяных месторождениях или при транспортировке нефти. Но тут такой момент: нельзя думать, что вот мы сейчас посыпем каким-то порошком в состав которого входят нефтеокисляющие микроорганизмы – и нефть тут же съедят микробы. При таких сильных разливах, как в Черном море, скорость разложения микробами нефтяных месторождений достаточно большая. Тут всегда используется комбинация физико-химических методов: метод сорбции, когда нефть собирают специальными сорбентами, и микробные препараты, которые хорошо себя показали в доочистке. После того, как основная нефть была убрана, вывезена – а вы прекрасно знаете, сколько для этого работало волонтеров – можно использовать биопрепараты, которые, в принципе, безвредны для человека. Процессы разложения остаточной нефти микроорганизмами происходят не мгновенно, а на протяжении достаточно протяженного времени, может быть нескольких лет микроорганизмы будут «доедать» остатки нефти и тем самым восстанавливать в первоначальное состояние нарушенные экосистемы почв и водоемов. На рынке уже существуют десятки препаратов, и институты продолжают разрабатывать новые комбинации микробов, потому что часто наибольший эффект достигается, когда в составе препарата не один микроорганизм, а сообщество, которое умеет разлагать разные фракции нефти.

– А эти микроорганизмы опасны для людей?

– Для людей они не представляют опасности. Но чтобы добиться максимальной эффективности очистки, делают так: нефть собирают механически, с помощью сорбентов, складируют разными способами, по возможности предотвращая растекание нефти, чтобы она не загрязняла окружающую среду. А затем уже эти загрязненные участки обрабатывают микробными препаратами. Есть подходы, когда никакие микробы не добавляют, потому что нефтеокисляющие микроорганизмы – встречаются практически везде и в почвах, и в водоем. Потому что, как вы наверняка знаете, нефть — это не продукт человеческой деятельности, это продукт как раз длительной трансформации определенным образом захороненного органического вещества. То есть нефть – это естественный продукт. А раз он естественный, значит, давным-давно сложилось микробное сообщество, которое умеет эту нефть использовать в процессе жизнедеятельности. Поэтому есть подходы, когда аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов просто стимулируют, поливая загрязненные почвы и водоемы необходимыми для жизни микроорганизмов минеральными компонентами. То есть никакие дополнительные микроорганизмы в составе биопрепаратов вносить не надо.

– Когда и при каких обстоятельствах появилась ваша лаборатория, кто стоял у ее истоков? Вы уже упомянули академика Заварзина…

– Да, я уже упомянул академика Георгия Александровича Заварзина, который ушел из жизни в 2011 году, и сделал очень многое для развития новых направлений в Институте микробиологии. Он стоял у истоков изучения термофильных микробных сообществ – это микробные сообщества, которые развиваются при высоких температурах. Он продолжил на новом уровне работы своего деда академика Б.Л. Исаченко по изучению щелочных мест обитания, содовых озер, о которых я говорил, активно развивал исследования свидетельств древней активности микроорганизмов - палеомикробиологии. Постепенно из этой лаборатории отделилось несколько самостоятельных лабораторий, возглавляемых учениками Г.А.Заварзина. Отдел биологии экстремофильных микроорганизмов, сегодня возглавляет член-корр. РАН Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская. В этом отделе изучают термофильных микроорганизмов – бактерий и архей, их разнообразие и метаболизм.

Другая лаборатория молекулярной экологии и филогеномики бактерий под руководством Светланы Николаевны Дедыш многие годы занимается изучением труднокультивируемых микроорганизмов болотных систем. И вот в 2011 г. после ухода Георгия Александровича Заварзина мне было предложено возглавить лабораторию реликтовых микробных сообществ. Я уже говорил, что пришел из морской микробиологии, но континентальные озера, содовые озера мне тоже были интересны. Ну и что-то новое, что мне удалось привнести, это как раз использование микроорганизмов для очистки сточных вод. Дело в том, что на Мосводоканале долгое время существовал очень крупный инженерно-технологические центр (ИТЦ), фактически институт, который занимался разработкой и внедрением новых технологий для очистки сточных вод. Но как-то изменилась политика руководства Мосводоканалом – и ИТЦ претерпел существенное сокращение. Часть людей оттуда мне удалось привлечь к нам в институт – а это специалисты, которые долгие годы работали на Мосводоканале. Приход к нам микробиологов из ИТЦ позволило понять, что нужно, какие направления следует развивать, с кем быть в контакте из тех, кто занимается проблемами очистки сточных вод.

Вот примерно такая история. А название я посчитал возможным сохранить, поскольку мы продолжаем заниматься содовыми озерами, часть сотрудников участвует в экспедициях по изучению микробиологических процессов в морских и континентальных водоемах. Ну а я уже вам сказал, что сейчас понятие «реликтовое» – это довольно широкий термин. Поскольку, действительно, микробные сообщества прошли огромный путь развития на нашей планете, и еще много остается неизведанного в этом удивительном мире микроорганизмов. И, безусловно, работы в области изучения процессов, которые осуществляют микроорганизмы, сложные взаимодействия внутри мира микробов, выделение и описание новых прокариот, изучение их метаболизма, исследование их биотехнологического потенциала – это задачи на будущее.