Михаил Бухар - Популярно о микробиологии
Аналогичный эффект увеличения дебита нефтяных скважин можно получить, закачивая культуру микроорганизмов с питательной средой в те из них, в которых резко снизилось избыточное давление. После введения культуры микроорганизмов скважину консервируют и через некоторое время снова открывают. Интенсивно размножаясь в созданных для них благоприятных условиях, микроорганизмы образуют большое количество углекислого газа, который и создает в скважине избыточное давление, необходимое нефтяникам. После такой обработки прирост добычи нефти колеблется в среднем от 20 до 200 %, и это увеличение может сохраняться от двух до восьми лет. Такие разработки уже осуществлены в промышленном масштабе!
Однако роль микроорганизмов в геологии не ограничивается увеличением отдачи нефтяных месторождений.
Еще В. Вернадский отмечал роль живых организмов в качестве аккумуляторов тех или иных элементов. Уровень наших знаний в этой области настолько возрос, что можно использовать такое их умение в технологических целях.
Нужно только выделить из бесконечного множества микроорганизмов те виды, у которых способность извлекать тот или иной элемент довольно велика. Естественно, что поиски геологов и микробиологов были направлены прежде всего на получение дорогостоящих металлов, таких как золото и серебро. Золото в силу многих причин давно служит для человечества мерилом богатства. Хотя надо заметить, что в целом его на Земле не так уж и мало. По расчетам ученых, в одном кубическом километре морской воды может содержаться золота на сумму от $5 до $25 млн. Лауреат Нобелевской премии Фриц Габер (он получил ее за синтез аммиака промышленным способом) тоже занимался извлечением золота из морской воды путем электролиза. Однако при использовании этой очень дорогостоящей технологии оно оказывается вдвое дороже обычного.
Способность же микроорганизмов извлекать золото, т. е. увеличивать его содержание внутри клеток по сравнению с содержанием во внешней среде не имеет себе равных ни в природе, ни в технике. Таким образом, выращивая микроорганизмы на средах, содержащих золото (на той же морской воде), можно буквально собирать урожай этого металла. Кроме золота, в морской воде есть немало растворимых элементов, пожалуй, не менее ценных, чем золото. Некоторые их них можно получать, используя микроорганизмы. Так, во Франции выдан патент на выделение с их помощью урана из морской воды. Японскими учеными разработана технологическая схема извлечения из нее другого металла — ванадия. Это позволило Японии получать этот металл в промышленных масштабах и отказаться от его импорта.
И все же, несмотря на огромное количество металлов, растворенных в воде морей и океанов, в ней их концентрация значительно меньше, чем в самых бедных рудах. Экономически более оправданно было бы использовать именно их, но как перевести металлы в растворимое состояние? И здесь на помощь приходят микроорганизмы.
Среди них есть группа литотрофных бактерий, которые получают энергию для своей жизнедеятельности, окисляя различные неорганические соединения. Они в буквальном смысле «питаются камнем» (литос — камень, трофос — питание); точнее говоря, литотрофные бактерии способны использовать самые разнообразные минералы для своей жизнедеятельности. Именно на использовании этих микроорганизмов основан биотехнологический метод получения металлов из руд.
Он основан на том, что бактерии окисляют сульфидные минералы и переводят содержащиеся в них металлы в растворимую форму. (Мы уже описывали в главе 1 «Как украли железную дорогу» участие микроорганизмов в окислительно-восстановительных превращениях железа.)
При окислении сульфидных минералов большинство элементов из нерастворимой сульфидной формы переходят в растворимую сульфатную. В этом, собственно говоря, и состоит выщелачивание металлов из руд. Его скорость зависит от многих факторов, но именно бактерии, адсорбируясь на поверхности окисляемого субстрата, ускоряют этот процесс в сотни и тысячи раз. Дальнейшее извлечение металлов из растворов также может быть проведено, как уже указывалось выше, с помощью адсорбции микроорганизмами.
Перспективность биотехнологических методов получения металлов очевидна. Полупромышленные и промышленные способы уже внедрены во многих странах. В США в настоящее время примерно 10–15 % меди получают биотехнологическими методами; важное место они занимают и при добыче урана. Бактериально-химическое выщелачивание золота и серебра из кристаллов пирита и арсенопирита позволяет получать на 45 % больше золота и на 128 % — серебра по сравнению с обычными методами извлечения.
К сожалению, в состав некоторых минералов входят элементы, даже незначительные количества которых обладают бактерицидным действием. Это сужает возможность использования микроорганизмов.
Но микробиологи в содружестве с генными инженерами нашли пути решения этой проблемы. Можно выделить и ввести в нужные нам хемолитотрофные микроорганизмы ген, ответственный за биосинтез факторов устойчивости, скажем, к мышьяку. Это позволяет создавать микроорганизмы, невосприимчивые к высоким концентрациям ядовитых веществ или элементов, присутствующих в минералах, и дает возможность использовать полиметаллические руды, содержащие в том числе и биоцидные компоненты.
Поиски новых технологических подходов в геологии вызваны истощением богатых месторождений и необходимостью разработки более бедных залежей полезных ископаемых, которые еще недавно считались неперспективными.
Существенными преимуществами использования микробиологических методов в геологии являются комплексность извлечения металлов, низкая энергоемкость описанных процессов и их экологическая чистота.
Глава 25
Микробиология и космос
Человечество не останется на Земле, но в погоне за светом и пространством… завоюет все околосолнечное пространство.
К. Э. ЦиолковскийИсследование и освоение космического пространства связано с развитием новых научных направлений, к числу которых относится и космическая микробиология.
Изучение жизнедеятельности микроорганизмов после пребывания в космосе, возможность заноса земных бактерий на другие планеты, проникновение инопланетных микробов на Землю, методы обнаружения инопланетной жизни и, наконец, создание замкнутых экологических систем с помощью микроорганизмов — вот далеко не полный перечень задач, стоящих перед космической микробиологией.
Сейчас, когда уже никого не удивишь длительным пребыванием в космосе, стоит напомнить, что микроорганизмы стали самыми первыми биологическими объектами, на которых было проверено физиологическое действие экстремальных факторов, таких как невесомость и космическое излучение.
На первых искусственных спутниках находилась культура микроорганизмов, очень чувствительных к действию радиации. Ее использовали в качестве биологического дозиметра для измерения генетической эффективности космической радиации. Сравнивая клетки, побывавшие в космосе, с контрольными, которые оставались во время опыта на Земле, удалось установить границы поясов повышенной радиации и выбрать такие орбиты для космических кораблей с человеком на борту, на которых уровень радиации минимальный.
Выживаемость микроорганизмов в экстремальных условиях космоса поразительна. Для иллюстрации можно привести следующий факт. Когда экипажем «Аполлона-12» с Луны была доставлена кинокамера, заброшенная туда за три года до этого автоматической станцией Surveyor-3, то внутри нее обнаружили бактерии Streptococcus mitus. Помещенные в питательную среду, они ожили на четвертый день, а еще через день начали делиться. Им не повредили далекое космическое путешествие и трехгодичное пребывание на Луне. Предполагают, что микроорганизмы были внесены внутрь кинокамеры до полета, во время ремонта, а затем лиофизированы, т. е. высушены холодным вакуумом во время предполетной обработки. Исследование влияния вакуума на жизнедеятельность некоторых микроорганизмов показало, что глубокий вакуум не оказывает губительного действия на целый ряд микроорганизмов. Более того, при его комплексном воздействии, а также низких температурах некоторые виды микробов лучше сохраняются в нем, чем при нормальном атмосферном давлении. Это говорит о том, что в глубоком вакууме при низких температурах существуют вполне благоприятные условия для анабиоза, что свидетельствует о возможности доставки на другие планеты жизнеспособных представителей земной жизни. Экспериментально это предположение было подтверждено американским ученым Р. Сильверманом, доказавшим жизнеспособность земных микроорганизмов, слетавших на Луну и обратно.
