Выкопай и сожги. Чудеса и риски экологических биотехнологий

Удаление загрязняющих веществ из воды, почвы и воздуха всегда стоило человечеству значительных средств и происходило с относительным успехом. Территории, требующие огромных денежных вложений, остаются в плачевном состоянии. К сожалению, большая часть денежных вливаний расходуется на отчеты по детальному изучению степени загрязнения и рисков при очистке таких территорий от пестицидов и гербицидов, нефти и нефтепродуктов, тяжелых металлов, пластика… Однако человечество нашло выход из этого тупика. Это биоремедиация, то есть применение для нейтрализации загрязняющих веществ живых микроорганизмов. По сути дела, борьба с загрязнением окружающей среды ведется биологическими методами.

Одно из основных преимуществ биоремедиации – быстрое размножение микроорганизмов и вирусов. Время удвоения измеряется часами и даже минутами. Кроме того, они разлагают даже токсичные продукты, что чрезвычайно актуально при очистке территорий военных полигонов и уничтожении химического оружия. В итоге при высокой скорости очистки и экологической безопасности процесса ремедиации условия жизни человечества многократно улучшаются, восстанавливается естественный ход процессов самоочищения и самовосстановления, существовавший в природе задолго до появления человека, создается резерв экологического благополучия на многие годы вперед.Вспомните, что после катастрофы танкера у берегов Аляски вылилось около 5 тыс. тонн нефти и было загрязнено порядка 1500 км береговой линии. На очистке трудились 11 тыс. рабочих с разнообразным оборудованием. Тратился 1 млн долларов в день. Параллельно для очистки берега в почву вносились азотные удобрения, что резко ускоряло развитие природных микробных сообществ. Они разлагали нефть в 5 раз быстрее. В итоге загрязнение, которое должно было бы отравлять берег до 10 лет, было полностью устранено за 2 года с затратами менее 1 млн долларов, что превосходно иллюстрирует эффективность биоремедиации.Но сможет ли эта технология изменить человеческое сознание, в котором прочно поселилось представление «выкопай и сожги», если речь идет об очистке окружающей среды?Сомнения возникают потому, что биотехнологии, направленные на защиту экологии, имеют уязвимое место – сам процесс осуществляется в открытой системе, то есть в окружающей среде, а это требует углубленного понимания взаимодействия микроорганизмов с нею. По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), потенциальный рынок биоремедиации составляет 75 млрд долларов, эта ниша способствует ускоренному внедрению биотехнологий для защиты окружающей среды, поскольку они гораздо дешевле других технологий очистки. По мнению ОЭСР, биоремедиация имеет локальное, региональное и глобальное значение, и для очистки будут все шире применять генно-модифицированные организмы, ведь биоремедиация с применением ГМО на порядок эффективнее. Однако считается, что использование ГМО для очистки загрязненных территорий может стать причиной нежелательного распространения этих микроорганизмов в окружающей среде, а методы контроля над распространением их после завершения процесса ремедиации отсутствуют. Может развиться конкуренция между ними и природной популяцией микроорганизмов, и неизвестно, кто победит… Может состояться горизонтальный перенос рекомбинантных генов от ГМО к другим представителям микробного сообщества. И хотя теоретическое решение проблемы видится в создании микроорганизмов с встроенной генетической программой самоубийства, запускающейся после исчезновения токсического соединения, тем не менее риски остаются.Последние десятилетия характеризуются поступлением в окружающую среду огромного количества разнообразных по строению синтетических органических соединений (ксенобиотиков), часто токсичных для живых организмов. Некоторые ксенобиотики накапливаются в окружающей среде из-за определенного отставания эволюционных процессов микроорганизмов, направленных на выработку у них способности к деградации этих соединений. Сейчас стоит задача максимального использования потенциала микроорганизмов, обладающих огромным разнообразием ферментов, для деструкции различных ксенобиотиков. Использование этого потенциала и есть биоремедиация (bio – жизнь, remedio – лечение).Например, в Атлантическом океане и Балтике накоплены горы мусора – огромные запасы пластика и тысячи тонн отравляющих веществ. Однако выводы ученых на этот счет категоричны – экологической катастрофы не будет. Наоборот, вездесущие микробы, обладая поистине фантастической способностью мутировать и приспосабливаться к любым условиям, буквально поедают пластик (родственники холерных вибрионов) и даже иприт (появились «ипритоеды»).Но если в почве или воде, загрязненных ксенобиотиками, отсутствуют микроорганизмы, способные к эффективной деградации данных соединений, целесообразно вводить биодеструкторы искусственным образом. Используемые в этих целях микроорганизмы могут быть природными, возвращаемыми в окружающую среду, или сконструированными в научных лабораториях методами генной инженерии.Деградацию органических ядов производят в основном с помощью бактерий. Они разлагают такие соединения, как нефтепродукты, салицилаты, нафталин, камфора, октан, толуол, ксилол, бифенил, метиленхлорид, детергенты, креозот и т. д. А у бактерий рода псевдомонад обнаружены также плазмиды (расположенные вне хромосом молекулы ДНК), несущие гены устойчивости к тяжелым металлам.Одно из новейших направлений биоремедиации – применение растений для очистки почв и грунтовых вод. Гены для модификации растений берутся чаще всего из бактериальной плазмидной ДНК. Ртуть-устойчивые бактерии экспрессируют ген merA, кодирующий белок детоксикации ртути. Растения, выращенные гидропонным методом и несущие этот ген, извлекали из водного раствора до 80% ионов ртути. При этом рост и метаболизм трансгенных растений не подавлялись, а устойчивость к ртути передавалась ими в семенных поколениях.Из заслуживающих внимания научных разработок в области санации почвы (стоимость работ в Европе 900 млн долларов, в США – 2 млрд долларов) следует назвать следующие: – в геном cимбиотической с люцерной бактерии-азотфиксатору Rhizobium meliloti был встроен ряд генов, ответственных за разложение бензина, толуина и ксилена, которые содержатся в горючем. Разветвленная корневая система люцерны позволяет теперь очищать почву на глубину до 2,0-2,5 м;- создан сорт генетически модифицированного тополя, который способен разрушать высокотоксичные промышленные вещества типа хлороформа, бензола, трихлорэтилена, загрязняющие окружающую среду, путем превращения их в нетоксичные соединения (Н2O, СО2, безвредные соли). Эффективность у такого тополя в 100 раз выше, чем у его природного собрата. Генетически модифицированные деревья также способны улавливать токсичные вещества из воздуха и затем разлагать их до безопасных метаболитов в своих листьях;- кадмий поступает в почву главным образом из промышленных выбросов и как примесь фосфорных удобрений, накапливаясь в корнях растений. Для борьбы с ним можно использовать металлотионеины – белки животных, богатые аминокислотой цистеином, способные связывать тяжелые металлы. Уже получены трансгенные растения, экспрессирующие гены металлотионеинов; они значительно более устойчивы к кадмию, чем растения дикого типа.В университетах США существует специальная программа подготовки военнослужащих, включающая ознакомление с методами биоремедиации почвы, водоемов и воздуха. В рамках семинара и практикумов демонстрируется взаимосвязь проблем биотехнологии и национальной безопасности, в частности, идет речь о новых подходах к очистке окружающей среды с помощью препаратов на основе микробных сообществ.Три крупных полигона департамента обороны США в 2001 году приобрели технологию микробной биоремедиации для обработки почв, загрязненных взрывчатыми веществами Daramend (разработана фирмой W. R. Grace & Co.), использование которой позволило достигнуть 99% очистки почвы уже после двух первых фаз обработки. В России уничтожение химического оружия после международного соглашения 1993 года также стало национальной проблемой. Созданные штаммы микроорганизмов депонируют в Международной коллекции промышленных микроорганизмов и патентуют.В нашей стране разработана биотехнологическая система очистки воздуха от органических соединений и создана опытная установка, лицензии на использование которой в настоящее время приобрели химические предприятия Великобритании и Финляндии. Чтобы осознать, насколько важна эта работа, достаточно вспомнить смог 2010 года в Москве, когда из-за резкого ухудшения характеристик атмосферного воздуха по причине торфяных пожаров резко возросла смертность населения. Да и кислородное голодание в экологически неблагоприятной среде способствует повышению риска заболеваемости сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, желудочно-кишечного тракта.К сожалению, достаточно часто борьба с загрязнениями в нашей стране ограничивается закупкой популярных биопрепаратов, предлагаемых биотехнологическими компаниями Европы, США, Японии. За рубежом введение ГМО в окружающую среду строго ограничено, а в нашей стране пока лишь ведется разработка правил, регулирующих этот вопрос. В силу совершенно других климатических и экологических условий эти биопрепараты часто оказываются малоэффективны в России. Актуальной становится проблема разработки способов очистки воды, почвы и воздуха, оптимизированных под конкретные регионы нашей огромной страны.Дополнительная литератураШ. Уолкер. Биотехнология без тайн, 2008.Прикладная экобиотехнология: учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биотехнология» / Под ред. А.Е. Кузнецова и др. – В 2-х т., 2010. А. Леонтьевский, И. Ермакова. Невидимые санитары планеты // Наука в России, № 3, 2007.http://www.isaaa.org/resources/publications/pocketk/25/default.asp – англоязычный краткий обзор по использованию ГМО растений для биоремедиации.http://bioremediationgroup.org/AboutUs/Home.htm – англоязычный сайт дискусионной группы по биоремедиации, содержит ссылки на коммерческие и некоммерческие ресурсы и журналы по различным направлениям блиоремедиации.http://www.epa.gov/oilspill/ – англоязычный раздел Агентства по защите окружающей среды США, посвященный разливам нефти, их уничтожению и последствиям.​Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук