SCHATTENBLICK - ИСТРАУВАЕ 387 Протозои на диета со масло (MaxPlanckResearch)
MaxPlanckResearch - Научен магазин на општеството Макс Планк 3/2010
Едноклеточни организми на диета со масло
Од Тим Шредер
Бактериите можат да живеат од скоро сè, некои дури и од масло. Фридрих Видел, Директор на Институт за морска микробиологија Макс Планк, истражува микроби кои ги распаѓаат нафтените јаглеводороди длабоко во талогот без кислород. Дали може да помогнат при несреќи со цистерни?
Бактериите го достигнаа тоа далеку во однос на убавината ", вели Фридрих Видел и става неколку црно-бели фотографии на масата. Едната покажува куп тенки црни линии, другата мала сива топка. Бактериите даваат однадвор Не повеќе од апстрактно рој. Сепак, тие се толку возбудливи за Видел што ги истражува повеќе од 30 години. „Нивниот метаболизам е апсолутно фасцинантен. Бактериите можат да прават работи што не може да ги направи ниту едно повисоко живо суштество “.
Всушност, некои од нив складираат многу: Тие распаѓаат супстанции кои не се варат за животните и луѓето, како што е целулоза или токсични, како што е водород сулфид. Тие фаќаат азот од воздухот и ги снабдуваат растенијата со него.
Започна со водород сулфид во резервоар за масло
Никој не знае колку видови бактерии има, а повеќето од нив веројатно се уште не се откриени. Веројатно нема место во светот на кое не и е пријатно едната или другата бактерија. Едноклеточните организми колонизираат почви, ровови, постројки за третман на отпадни води, топли длабоки извори на вода и арктички морски мраз. Многу милијарди од овие микроскопски ситни работи самостојно се наоѓаат во и на нашето тело, во цревата или на кожата. И тоа е добро. Бидејќи микробите ги одбиваат непријателите и ни даваат витални материи.
Фридрих Видел е првенствено заинтересиран за оние бактериски специјалисти кои поминуваат без кислород воопшто - „анаеробите“ кои наместо тоа извлекуваат соединенија на сулфур или азот од околината за да дишат. Истражувачот од Институтот за морска микробиологија Макс Планк во Бремен е особено ентузијаст во врска со бактериските соеви кои можат да го расипат маслото и да се чувствуваат добро во егзотични живеалишта: под душеци со масла на плажа или во мрсна талог на морското дно без кислород.
Видел ја доби темата многу одамна, во 1982 година, кога еден пријател од инженер го водеше низ магацин за нафта. Имаше проблеми со резервоар за сурова нафта, сепаратор во кој е одвоена мешавината масло-вода од дупнатини. Токсичен водород сулфид, кој мириса на скапани јајца, се собрал во контејнерите, корозивна супстанца што може дури и да нападне челични цевки, „кисел гас“.
Водород сулфид се јавува во многу наслаги на нафта. Тоа е создадено таму со хемиски реакции на многу високи температури длабоко под земја, тоа беше познато. Но, зошто во млакиот резервоар се формирал и водород сулфид, никој не можеше да претпостави. Видел прилично брзо сфати дека анаеробните бактерии ќе мора да работат во резервоарот без кислород, бидејќи водород сулфидот е типичен производ на распаѓање на анаеробниот метаболизам. Но, со што треба да се хранат? На почетокот на 1980-тите сè уште се веруваше дека суровата нафта се распаѓа само од „аеробни“ бактерии кои трошат кислород. Суровата нафта се состои од јаглеводороди, главно од т.н. алкани, долги синџири на јаглеродни атоми на кои се поврзани само атоми на водород. Во метаболизмот на аеробните бактерии, распаѓањето на алканите се одвива на сличен начин како и кај моторот на автомобилот. Долгите ланци се распарчуваат на парчиња, а потоа реагираат со кислород - останува само јаглерод диоксид и вода.
Компонентите на маслото се распаѓаат дури и без воздух
Количините на енергија што се ослободуваат при реакција со кислород се огромни. Затоа можете да одите далеку со еден литар бензин. А, за аеробните бактерии, искористеноста на алканите со кислород е чист празничен оброк. Но, за анаероби? Во тоа време, многу експерти претпоставуваа дека користењето на анаеробни алкани е невозможно. Во спротивно, бактериите би ги јаделе овие материи од нафтените наслаги во текот на милиони години.
Како што се испостави, оваа хипотеза, иако беше веродостојна, беше лажна. Фридрих Видел од резервоарите однесе вода со остатоци од масло во лабораторијата и ја спакуваше херметички. Потоа тој чекаше. Навистина. Полека, но сигурно, водород сулфид се формираше во вијалата за примерок, и ова можеше да дојде само од распаѓањето на суровата нафта со сулфатниот сулфат. Она што се случува во метаболизмот на бактериите е само делумно разбрано до ден-денес. Затоа, Видел се обидува да ги најде оние протеини кои се вклучени во распаѓањето.
Изгледа како анаеробите прво да ги издолжуваат ланците и потоа да ги расклопуваат на парчиња за конечно да ги вдишат парчињата еден по еден. Наместо кислород, анаеробите користат сулфат, на пример, што се јавува во морската вода во многу повисоки концентрации од кислородот. Дури и ако кислородот веќе долго време е потрошен, како во резервоарот за одвојување на маслото, анаеробите сè уште имаат на располагање многу сулфат. Како краен производ на реакцијата на сулфатот со алканите, водород сулфидот потоа се формира во бактериите преку комплициран редослед на метаболички процеси. Со цел да се потиснат таквите и другите непожелни бактерии за време на производството на масло, во водата што се пумпа во резервоарите се додаваат антибактериски супстанции за време на производството на масло.
За многумина, тезата за анаеробен алкан и деградација на маслото првично изгледаше премногу смела. Видел мораше да ги поткрепи своите резултати, и покрај сè можеше да се замисли дека кислородот полека може да навлезе низ гумените затка во цврсто запечатените бактериски садови. Бидејќи не постои такво нешто како целосно непропустлива гума или пластика. „Потоа, едноставно ги смаливме примероците од масло во мали стаклени ампули“, вели Видел со насмевка. Не може да биде повеќе херметички. И со тоа тој успеа во последниот доказ: синџирите на алкани се распаѓаат анаеробично на јаглерод диоксид, при што сулфатот се трансформира во водород сулфид!
Повеќето анаероби бавно напредуваат
Зошто бактериите не ги јаделе празни наслаги во милиони години, не може навистина да се објасни досега. Можно е дека некои резервоари за нафта станаа многу загреани и затоа сè уште се скоро стерилни денес. Во други случаи, многу јасно може да се види дека бактериите дејствуваат. Малите се гурмани. Од мешавината на стотици различни алкани во суровата нафта, тие ги избираат токму оние соединенија кои се најдобро сварливи, на пример хексадекан, молекуларна структура со 16 јаглеродни атоми.
Одгледување бактерии за контрола на маслото?
Ако анализирате таков примерок од масло со помош на гасен хроматограф, апарат што може прецизно да открие траги од одредени супстанции, може да видите дека недостасуваат некои алкани. Фактот дека суровите масла од различни наслаги имаат различни својства и квалитети може делумно да биде резултат на работата со анаеробно мелење.
Секој што работи со анаероби има потреба од трпеливост. Многу анаероби припаѓаат на мрзливоста меѓу микроорганизмите. Тие растат и се размножуваат во бавно движење. Никој навистина не знае зошто е тоа така. Добро позната лабораториска бактерија Ешерихија коли сепак, работниот коњ на биотехнолозите е вистински спринтер. Livesивее и работи со кислород. Ако е удобно, се дели на секои 20 минути. Милјарди потомци произлегуваат од таквата бактериска клетка за десет часа.
Бактериите Виделс дури и не започнаа да растат во исто време. Тие дозволуваат денови или дури недели за поделба. „Тие живеат и умираат полека“, вели истражувачот. Тоа го прави размножувањето на ваквите микроби сисифос. Целта на микробиолозите е да произведат чисти бактериски култури со цел да ја разберат нивната функција. Меѓутоа, во примерок од вода или талог, многу различни соеви на бактерии обично се преполнуваат едни со други. Со цел да се најде точниот бактериски вид во овој микроскопски заплет што всушност го распаѓа маслото, примерокот се разредува понатаму и понатаму, сè додека конечно - од чисто статистичка гледна точка - само една бактерија лебди во лабораторискиот сад.
Меѓутоа, бактериите треба да се размножуваат одново и одново, така што истражувачите можат да проверат дали бактеријата што го разградува маслото сè уште има во разредениот примерок. За тоа е потребно време. Толку многу време што во првите неколку години Видел ретко беше во можност да стави докторанд на неговите анаероби кои го деградираат маслото. Долго време, серијата за разредување беше повеќе работа со скратено работно време за него и неговите вработени.
Водород сулфид создава дополнителни проблеми
Во меѓувреме, луѓето во Бремен изолираа голем број чисти племиња. Но, тие сè уште не најдоа навистина брза анаероба. Истражувачот е сигурен дека овие бактерии се несоодветни за чистење по нафтена несреќа. Само сте премногу бавни. Во несреќи со цистерни или несреќи како овој во Мексиканскиот Залив, за неколку дена протекуваат илјадници тони сурова нафта. Дури и пргавите, аеробни братучеди кои трошат кислород првично се немоќни. Плимата ги протега масите нафта и катран на брегот, каде што често се формираат масни грутки од мрсна тиња и песок. Бактериите Виделс се на крај активни секаде каде што има недостиг на кислород - на пример, под пакетите со црно масло на плажа, но исто така и при истекување на природно масло на морското дно или во нафтени депозити.
Понекогаш несреќа со нафта дури создава зони со сиромашен кислород директно во водата, бидејќи земјоделците со аеробно масло црпат витален кислород од морската вода. Со цел целосно да се сруши пад од само 0,2 милилитри масло, на аеробите им е потребен кислород до 80 литри вода. Кога има големи количини нафта во околината, аеробите цртаат свој еликсир на животот. Кога кислородот конечно ќе го снема, анаеробите се вклучуваат. Тие полека се пренесуваат на компонентите на маслото.
Ако маслото истекува масовно, може да има дополнителен проблем на такви места. Потрошувачката на кислород и анаеробна деградација создаваат водород сулфид, кој е токсичен дури и при ниски концентрации. „Колку повеќе се справувате со различните аспекти на експлоатацијата на нафта, толку повеќе станува јасно дека треба да се справиме со вредното масло за суровина многу посвесно и поодговорно“, вели Видел. „Нафтена несреќа треба да нè засега сите, на крајот на краиштата, секој од нас користи нафта.
Деградацијата на густите маси на сурова нафта кога нема доволно снабдување со кислород трае со години, па дури и со децении и сеуште веројатно ќе остане нецелосна. Затоа, долго време по несреќата, може да се најдат црни мрсни остатоци од масло длабоко во песокот на плажата. Но, анаеробите имаат време. Со милиони години полека се хранат со маслото, кое отсекогаш продирало природно од наслагите во морето. Анаеробни градители на нафта може да се најдат насекаде во морските седименти кои содржат јаглеводороди, било да е тоа во тиња на фризиска марина или во Калифорнискиот залив во западен Мексико.
На длабочина од околу 2000 метри, топла вода се крева од пукнатините на земјината кора во морското дно во морскиот слив. Остатоците од мртви алги крчкаат на топлина и масовно се симнуваат од површината на морето. Тука производството на масло се одвива со брзо движење. Суровата нафта обично се формира длабоко под морето под стотици метри моќни пакувања на талог, каде што преовладуваат високи температури и огромни притисоци. Во таков шпорет за геолошки притисок, шеќерите богати со кислород или масните киселини се варат од мртвата биомаса за да формираат јаглеводороди.
Некои микроорганизми ја разложуваат нафтата во метан
Меѓутоа, во топлото дно на океанот во Калифорнискиот залив, може да се доживее формирање на нафта на само неколку метри длабочина во океанското дно, така да се каже во живо. Дури и пред Фридрих Видел да го преземе управувањето со одделот за микробиологија на Институтот во Бремен Макс Планк во 1992 година, тој нуркаше до топлите извори на потопниот „Алвин“ на океанографскиот институт Вудс Хол во Масачусетс за време на експедицијата надвор од Калифорнија.
Отпрвин, тој виде само сив талог во светлината на светлосните светла. Потоа, одеднаш се појавија жолтеникаво-бели дамки, наслаги на сулфур со големина на палачинка - сигурен знак на бактерии. „Ние ја прободевме земјата со раката робот и одеднаш малку жолтеникави капки масло се кренаа како маслиново масло во чаша вода“, вели Видел. Таму најде интересни анаероби. Денес тој култивира неколку.
Неговите мали жители на лабораторијата го изненадија многу пати. Во тоа време, на пример, кога тој истражуваше дали нешто ќе се случи со јаглеводородите со долг ланец дури и без додавање на сулфат. Во тој процес, всушност се развиле сосема различни микроорганизми кои ги разложуваат јаглеводородите со долг ланец од сурова нафта во метан, главната компонента на природниот гас. Кога Фридрих Видел ги одгледувал своите анаеробни микроби во лабораторија, за него било јасно дека притисокот се зголемува таму каде што се произведува гас. Како и да е, тој ги потцени едноклеточните организми.
Еден ден кога тој гледаше во инкубаторот, пукна едно стаклено шише, а неговата содржина беше дистрибуирана. Видел сè уште со малку тага се сеќава на загубата на продуктивната бактериска култура што ја одгледувал долго време. Со целосна „гасификација на микробен алкан“ волуменот може да се зголеми неколку стотици пати. Можеби таквите бактерии придонеле за гасот во резервоарите за масло.
Секако, Фридрих Видел не се грижи само за бактериите што го распаѓаат маслото. Бидејќи анаеробите имаат многу повеќе што да понудат. На полицата на неговата комора за потомство има цврсто затворени шишиња во кои лежат метални ленти. Лимот е извор на храна за анаероби, кои директно користат метално железо и кородираат. Видел сака да го разбере проблемот со био-корозија во железните цевководи.
Предметот на јаглеводороди, секако, е оној со кој тој се грижи најдолго. Фридрих Видел продолжува да трага по нови бактериски соеви со интересни својства - во примероците што тој самиот ги зема од талогот на Ваденското Море или во чашите што колегите му ги носат од истражувачки патувања. Тој претпоставува дека едната или другата бактерија ќе го изненади со своите можности. Има само едно во што не верува: "Супер бактеријата што го јаде загадувањето на маслото во рекордно време. Постојат и природни ограничувања на стапката на распаѓање и метаболизмот на бактериите".
Анаероби
Lиви суштества кои, за разлика од аеробите, метаболизираат без кислород. За некои од нив, кислородот е дури и отровен.
Гасен хроматограф
Уред што одвојува мешавина од супстанции. Смесата се испраќа со носач на гас преку фина цевка, долга од 10 до 50 метри, намотана во серпентина. Капиларната цевка е наредена со супстанца на која супстанциите траат во различни периоди во зависност од нивниот поларитет и притисокот на пареата. Соодветно на тоа, тие излегуваат од цевката по различни времиња.
Алкани
Соединенија кои се состојат од јаглерод и водород и не содржат двојни врски. Јаглеродните атоми формираат рамка од ланец, која исто така може да се разграни и затвори за да формира прстен. На сите слободни места за врзување има атом на водород. Тие главно се добиваат од нафта.
Извор:
MaxPlanckResearch - научно списание на Друштвото Макс Планк
Број 3/2010, страници 78-83
Уредник: Одделение за печат и односи со јавност на
Друштво за унапредување на науката Макс Планк е.В.
Уредничка адреса: Хофгарденстрасе 8, 80539 Минхен
Тел 089/2108-1562, Факс 089/2108-1405
Е-пошта: [email protected]
Списанието како PDF: www.magazin-dt.mpg.de
Брошурата се појавува на германски и англиски јазик
(MaxPlanckResearch) секој со четири изданија годишно.
Научното списание е бесплатно.
објавено во Schattenblick заклучно со 31 декември 2010 година