Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Вісник НАН України
Datum:	2012
1. Verfasser:	Таширев, О.Б.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Schlagworte:	З кафедри Президії НАН України
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36159
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року) / О.Б. Таширев // Вісн. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 40-47. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-36159
record_format	dspace
spelling	Таширев, О.Б. 2012-07-11T12:26:29Z 2012-07-11T12:26:29Z 2012 Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року) / О.Б. Таширев // Вісн. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 40-47. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36159 uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України З кафедри Президії НАН України Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року) Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)
spellingShingle	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року) Таширев, О.Б. З кафедри Президії НАН України
title_short	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)
title_full	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)
title_fullStr	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)
title_full_unstemmed	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)
title_sort	антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (наукове повідомлення на засіданні президії нан україни 01 лютого 2012 року)
author	Таширев, О.Б.
author_facet	Таширев, О.Б.
topic	З кафедри Президії НАН України
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
publishDate	2012
language	Ukrainian
container_title	Вісник НАН України
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
issn	0372-6436
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36159
citation_txt	Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року) / О.Б. Таширев // Вісн. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 40-47. — укр.
work_keys_str_mv	AT taširevob antarktidamíkrobnícenoziekosistemitabíorozvídkanaukovepovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni01lûtogo2012roku
first_indexed	2025-11-27T00:03:18Z
last_indexed	2025-11-27T00:03:18Z
_version_	1850787159618879488
fulltext	40 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ О.Б. ТАШИРЕВ АНТАРКТИДА — МІКРОБНІ ЦЕНОЗИ, ЕКОСИСТЕМИ ТА БІОРОЗВІДКА Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 1 лютого 2012 року Географічна ізольованість континенту Ан- тарктида і прилеглої до нього острівної зони (Антарктики), озонова діра та по в’я заний з нею високий рівень сонячної активності, гео- хімічна специфіка порід, особливий темпе- ратурний режим сформували в цьому регіоні унікальний світ екстремофільних мікроор- ганізмів. Відмітною, дуже характерною ознакою Антарктики є майже повна відсутність ан- тропогенного й техногенного впливу на еко- системи (принаймні порівняно з усіма ін- шими континентами). Тому в Антарктиці, де сконцентровано широкий спектр екстре- мальних факторів, можна вивчати сформо- вану природою стійкість мікробних екосис- тем (ценозів) до цих факторів. Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. За- болотного НАН України ще в 2001 р. розпо- чав фундаментальні дослідження з комплек- сного вивчення структури та функцій ан- тарктичних мікробних екосистем (ценозів). Більшість досліджень було виконано відді- лом біології екстремофільних мікроорганіз- мів (д.т.н. О.Б. Таширев). Відділ загальної та ґрунтової мікробіології брав участь у робо- тах, пов’язаних із загальною характеристи- кою антарктичних ґрунтових мікроорганіз- мів (чл.-кор. НАН України Г.О. Іутинська), а відділ антибіотиків — у вивченні явища антибіозу (д.м.н. Л.В. Авдєєва). Під час пла- нування мікробіологічних досліджень в Ан- тарктиці ми спиралися на системний підхід, закладений класиками загальної, геологіч- ної, водної та ґрунтової мікробіології, таки- ми як С.М. Виноградський, Б.Л. Ісаченко, С.І. Кузнєцов, Є.М. Мішустін, Г.О. Заварзін, Л.Й. Рубенчик і К.І. Андреюк. Виявлено конвергентність взаємодії ан- тарктичних мікроорганізмів і рослин з ме- талами, а також доведено плазмідну приро- ду стійкості цих мікроорганізмів до металів (Н.А. Матвєєва, Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України). Систе- матику та біогеографічний опис ландшафтів здійснено к.г.н. В.П. Усенком за консуль та- ційної підтримки акад. НАН України П.Ф. Го- жика (Інститут геологічних наук НАН Ук- раї ни). Геодезичною фірмою «ЕСОММ» (Е.С. Се ре ди нін і Д.О. Мизін) проведено то- пографічну зйомку локальних дослідницьких полігонів і створено стереометричну 3D-мо- дель пошарового розподілу мікробних цено- зів у типових антарктичних ландшафтах. Проведені фундаментальні дослідження дають змогу отримати відповідь на низку стратегічно важливих питань, таких як ви- вчення закономірностей адаптації мікроор- ганізмів до широкого спектру екстремаль- них факторів антарктичного довкілля, до- слідження біорізноманіття антарктичних мікроорганізмів і роль мікробних ценозів у глобальних біогеохімічних циклах елемен- тів і формуванні їх векторних потоків. Проте фундаментальні дослідження в будь-якому напрямі, у тому числі і в антарк- 41ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ тичній мікробіології, нерозривно пов’язані з прикладними дослідженнями, які мають бути завершені промисловим впроваджен- ням. Це методологічне положення сформу- лював ще Луї Пастер у 1871 р.: «Ні, тисячу разів ні, не існує жодної категорії наук, якій можна було б дати назву прикладних наук. Існують науки та застосування наук, по в’я- зані між собою як плід і дерево, що породи- ло його!» Саме тому ми поєднали суто фундамен- тальні дослідження екстремальних мікроб- них ценозів з прикладним напрямом дослі- джень — антарктичною біорозвідкою. Що таке антарктична біорозвідка? За офі- ційним визначенням Science Committee Antarctic Research (SCAR) «Біорозвідка — це накопичення біологічного матеріалу й аналіз його матеріальних властивостей; його молекулярного, біохімічного та генетичного вмісту з метою розроблення комерційного продукту; пошук цінних хімічних сполук і генетичного матеріалу рослин, тварин і мі- кроорганізмів». Є й лаконічніше визначен- ня: «Біологічна розвідка — це дослідження живих організмів, що трапляються в при- родних умовах, з погляду їх комерційної цінності як генетичних та біохімічних ре- сурсів». Проаналізуємо, як фундаментальні дослі- дження мікробних ценозів Антарктики по- в’язані з біорозвідкою та перспективами по- дальшого промислового використання ан- тарктичних мікроорганізмів. Антарктичні ландшафтні структури та наявні в них мікробні ценози є численними й різноманітними. До них належать кріоце- нози (водоростево-бактеріальні асоціації льо довиків), мікробні ценози ґрунтів, озер, різних лишайників, фітофлора мохів і зла- кових рослин (Deschampsia antarctica і Colo- banthus quitensis) тощо. На ці екосистеми діє комплекс екстремальних факторів, таких як інтенсивне ультрафіолетове випромінюван- ня, потужні ураганні вітри, різкі перепади температур і пов’язані з ними цикли «за мо- ро жування-відтавання», «ви сушу ван ня-зво- ло ження». Мікробні ценози зазнають ушко- джувальної дії токсичних металів, які ви- луговуються з вивержених порід і залуча- ються в біогеохімічні цикли. Нерівномірний розподіл органічних речовин спричинює яскраво виражене явище антибіозу. Антибі- оз проявляється як у синтезі антибіотиків, так і у стійкості до них мікроорганізмів. На всі антарктичні екосистеми певною мірою впливають зазначені екстремальні фактори. Проте максимальної і одночасної дії всіх факторів зазнають мікробні ценози антарктичних кліфів. Кліфи — вертикальні скелі заввишки від 20 до 150 м — досить по- ширений структурний ландшафт на пів ніч- но-західному узбережжі Антарктиди і при- леглих островах. На відміну від усіх інших екосистем мікробні ценози кліфів практич- но ніколи не вкриваються снігом, який за- хищає від екстремальних факторів, і тому мікроорганізми безперервно зазнають дії УФ-випромінювання, токсичних металів, що входять до складу скельних порід, і зму- шені жорстко конкурувати за органічні ре- човини, що дуже нерівномірно розподілені на кліфах. Такі особливості антарктичних кліфів було виявлено після фундаменталь- них системних восьмирічних досліджень структури антарктичних мікробних ценозів. Тому останні два роки ми вивчали переваж- но екстремофільні ценози саме антарктич- них кліфів. На біогеографічному полігоні на о. Галін- дез поблизу української антарктичної стан- ції «Академік Вернадський» було закладено локальний полігон Скалодром-2. Це верти- кальний кліф заввишки 10–12 м, а його ре- льєф має елементи з від’ємними кутами на- хилу. Навіть у дуже сніжні зими Скалодром завжди вільний від снігу і тому є ідеальним об’єктом для довготривалого моніторингу з вивчення стійкості мікробних ценозів до дії комплексу екстремальних факторів. На Скалодромі виділено два верти каль- них профілі, а на них — 12 фіксованих то- чок довготривалого моніторингу. Завдяки геодезистам фірми «ЕСОММ» проведено GPS-зйомку і на її основі створено стереомет- ричну 3D-модель Скалодрому. Зі зразків 42 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ На локальному полігоні Скалодром-2 Скалодрому ізольовано (за відсутності екс- тремальних факторів) мікроорганізми, що домінують у кліфах. В подальшому 10 типо- вих штамів було досліджено з метою отри- мання кількісних показників їх стійкості до таких екстремальних факторів, як УФ-ви про- мінювання, найбільш токсичні метали (Hg2+, Cu2+, CrO4 2-, Co2+ і Ni2+) і широкий спектр антибіотиків, що ушкоджують цитоплазма- тичну мембрану та пригнічують синтез білків. Крім того, вивчено здатність антарктичних мікроорганізмів до антибіотичної активності, тобто синтезувати анти біотики, які пригнічу- ють тест-культури типових умовно-пато ген- них бактерій. Під час кількісного обліку хемооргано- трофних мікроорганізмів Скалодрому було виявлено велику кількість пігментованих мікроорганізмів, щонайменше на порядок вищу, ніж у інших мікробних ценозах (ґрун- ти, мохи, озерні мули тощо). Пігментовані мікроорганізми представлені бактеріями, дріж джами та мікроміцетами, а їхня кіль- кість у зразках кліфу сягала 106–108 клітин у 1 г зразка. Пігментовані мікроорганізми мали широку кольорову «палітру»: червоні, роже- ві, чорні, жовті, помаранчеві тощо. Відомо, що пігменти захищають мікроор- ганізми від ушкоджувальної дії УФ-радіації, і тому пігментація мікроорганізмів кліфів є прогнозованою адаптивною реакцією на ви- сокий рівень інсоляції. Захисна дія пігмен- тів проявилась у стійкості антарктичних мі- кроорганізмів до високих доз УФ-ви про мі- нювання. Особливо стійкими виявились пігментовані дріжджі, які витримували дози навіть до 2000 Дж/м2 (при ЛД99,99 = 1200– 1500 Дж/м2). Цілком закономірно, що за та- кої стійкості до УФ-радіації мікроорганізми містять пігменти у високих концентраціях. Так, ізольовані з кліфів дріжджі мають ін- тенсивно-червоне та вугільно-чорне забарв- лення, яке визначається високим вмістом біологічно активних речовин (відповідно каротиноїдів і меланінів). Під час досліджен- ня дріжджів, які містять меланіни, з’я су- валось, що вони є стійкими до високих кон- центрацій (сотні міліграмів у 1 л) дуже ток- сичних металів — Со2+, Ni2+ і Cu2+. Типові штами Скалодрому виявили висо- кий рівень стійкості до токсичних металів. Максимально допустимі концентрації мета- лів для цих штамів становили 50 мг/л Hg2+, 150 мг/л Co2+, 1250 мг/л Cu2+, 2000 мг/л Ni2+ і навіть 20000 мг/л Cr(VI). Однак деякі ти- пові штами, ізольовані з інших екосистем (у тому числі кліфів), виявили ще вищий рі- вень стійкості до найбільш токсичних мета- лів. Так, численні штами росли за наявності 500 мг/л Cd2+ і 1000 мг/л — Cu2+, а деякі ко- лекційні штами (В3201 — В 3210) — стійкі до металів у концентрації 500 мг/л Hg2+, 1000 мг/л Со2+, 2000 мг/л Ni2+, 2500 Cu2+. Сенсаційною є здатність до росту трьох шта- мів за концентрації Cr(VI), що дорівнює 60000 мг/л у перерахунку на катіон металу. Таку високу стійкість до металів і значне по- ширення металорезистентних мікроорганіз- мів у екосистемах Антарктики показано вперше. Слід зауважити, що для більшості ґрунтових, водних та інших мікроорганізмів екосистем України і Європи токсичні або навіть бактерицидні концентрації Cu2+, Co2+, Ni2+ та інших металів становлять 10–20 мг/л іонів металу, а для Hg2+ — навіть 0,5–1 мг/л. Отже, під час дослідження стійкості мі- кробних ценозів до екстремальних факторів ми вперше показали, що антарктичні мікро- організми є полірезистентними до широкого спектру найбільш токсичних металів (Hg2+, 43ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Ріст антарктичних мікроорганізмів за концентрації Cr(VI) 50000 мг/л * Визначення полірезистентності «першого» і «дру- гого порядку» запропоновано нами. Cu2+, Cd2+, Co2+, Ni2+ і CrO4 2-) у концентраці- ях, на 2–3 порядки вищих за бактерицидні для більшості ґрунтових, водних та інших мікроорганізмів. Ці дані отримано стосовно так званої полірезистентності першого по- рядку * (стійкість до металів за умови, що в кожному варіанті досліду в мікробній куль- турі наявний тільки один метал). Більшість дослідників обмежується вивченням саме такої полірезистентності. Але відомо, що од- ночасна наявність навіть двох або більшого числа металів призводить до багатократного підвищення їхньої токсичності. Тому ми до- слідили також полірезистентність другого порядку, тобто здатність культур мікроорга- нізмів рости за наявності двох або більшо- го числа металів у живильному середови- щі. Наприклад, антарктичні мікроорганізми здатні до росту за наявності трьох металів у таких концентраціях: по 100 мг/л Hg2+ і Cr(VI) та 500 мг/л Cu2+. Хром(VI) є силь- ним металом-окисником, а Hg2+ і Cu2+ — ме- талами комбінованої дії (метали-окисники й одночасно метали-замісники). Отже, антарк- тичні мікроорганізми на рівні полірезистент- ності другого порядку є стійкими до високих концентрацій металів, які поєднують усі ві- домі механізми ушкоджувальної дії металів на мікроорганізми. Стійкість антарктичних мікроорганізмів до токсичних металів у деяких випадках визна- чається плазмідами. Так, зі штамів, стійких до хромат-аніона і Со2+, виділено дві плазміди, які трансформовані (перенесені) у чутливий до металів штам Escherichia coli. Після транс- формації штам ріс навіть за надтоксичної концентрації хрому(VI) — 500 мг/л. Проте стійкість антарктичних мікроорга- нізмів до широкого спектру металів ще не означає, що мікроорганізми можуть взаємо- діяти з цими металами. На сьогодні нами показано існування щонайменше трьох ви- дів взаємодії антарктичних мікроорганізмів з металами. Перший — це мікробне віднов- лення розчинних форм металів, наприклад відновлення хромат-аніона CrO4 2- до нероз- чинного хрому(ІІІ) у вигляді Сr(OН)3·nH2O або відновлення Cu2+ до нерозчинної міді(І) у вигляді Cu2О або CuOH. Другий вид вза- ємодії — мобілізація металів (утворення розчинних сполук металів з нерозчинних унаслідок їх взаємодії з мікробними екзоме- таболітами), наприклад, утворення комп- лексних розчинних сполук з Cu(ОН)2. Тре- тій вид взаємодії — мікробна іммобілізація металів (тобто їх накопичення у клітинах, мікробній біомасі), наприклад, поглинання Cu2+ мікробними клітинами. Звідси випли- ває, що мікроорганізми можуть залучати ме- тали в біогеохімічні цикли елементів у еко- системах Антарктики. В антарктичних екосистемах до металів стійкі також вищі рослини, причому їм влас- тива не лише стійкість, а й здатність до вза- ємодії з металами. Наприклад, представник злакових рослин Colobanthus quitensis не тільки росте за наявності 100 мг/л хрому(VI), а й накопичує його в тканинах, а потім від- новлює до нерозчинного (а значить, і неток- сичного) гідроксиду хрому(ІІI) у формі Cr(ОН)3·nH2O. Це свідчить про конвергент- ність механізмів взаємодії антарктичних 44 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ мікроорганізмів і рослин з металами. Отже, в антарктичних екосистемах рослини поряд з мікроорганізмами можуть брати участь у біогеохімічних циклах металів. В усіх антарктичних екосистемах, а осо- бливо на кліфах, спостерігається нерівно- мірний розподіл органічних сполук. Мікро- організми, для того щоб отримати обмежену кількість поживних речовин, змушені з ве- ликою швидкістю утилізувати ці речовини. До того ж їм необхідно мати широкий набір ферментів, які забезпечують споживання широкого спектру органічних сполук, таких як: рослинні й білкові полімери, спирти, ор- ганічні кислоти тощо. Отже, антарктичні мі- кроорганізми мають швидко адаптуватись до різноманітних субстратів і споживати їх з великою швидкістю й ефективністю. Крім того, конкуренція за субстрат (по- живні речовини) виявляється також у тако- му явищі, як антибіоз. Під час конкуренції за субстрат мікроорганізми виділяють анти- біотики, які пригнічують інші, конкурентні мікроорганізми. У відповідь на синтез анти- біотиків у мікроорганізмів виробляється стійкість до них. Отже, антарктичні мікро- організми мають виявляти як антибіотичну (антагоністичну) активність, так і стійкість до антибіотиків. Справді, антарктичний штам Pseudomo- nas putida є антагоністом відносно умовно- па тогенних бактерій Staphylococcus aureus, Es che richia coli, Pseudomonas aeruginosa і Ba ci llus subtilis й істотно пригнічує їх ріст (О.І. Ко цофляк та О.А. Кіпріанова). А два антарктичних мікроорганізми — Brevibacte- rium antarcticum і Entherobacter hormaеchеi — стійкі до десяти антибіотиків широкого спектру дії, які ушкоджують цитоплазма- тичну мембрану і пригнічують синтез біл- ків. Крім того, на прикладі 9 типових куль- тур кліфу Скалодром-2 показано високий рівень їхньої стійкості до 20 антибіотиків широкого спектру дії. Фундаментальні закономірності, отрима- ні під час вивчення структури і функцій мі- кробних ценозів, і кількісні показники їх- ньої стійкості до комплексу екстремальних факторів стали основою для методологічно- го обґрунтування антарктичної біорозвідки й розроблення ефективних методів пошуку й ізоляції багатьох промислово перспектив- них мікроорганізмів. Так, системне вивчення стійкості антарк- тичних мікроорганізмів до УФ-радіації свід- чить, що кліфи є найперспективнішою еко- системою для виділення УФ-ре зис тент них пігментованих мікроорганізмів. Із цих еко- систем було ізольовано десятки штамів УФ-ре- зистентних мікроорганізмів і на їх основі створено колекцію пігментованих мікроор- ганізмів (бактерій та дріжджів). Ці мікро- організми синтезують пігменти (каротиної- ди, меланіни і, можливо, флавіни), які є біо- логічно активними речовинами (БАР). Ін- тенсивне, насичене забарвлення червоних дріжджів дає змогу припустити, що вони є надпродуцентами каротиноїдів. А в деяких ву гільно-чорних дріжджах вміст меланіну сягав 6–10% абсолютно сухої маси клітин. Отже, меланіно- та каротиновмісні мікроор- ганізми є промислово перспективними про- дуцентами БАР. Загальновідомо, що мелані- ни мікробного походження є основою сонце- захисних косметичних кремів. Тому мелані- ни антарктичних мікроорганізмів можуть бути застосовані в косметичній галузі. Крім того, меланіни, виділені з чорних дріжджів Exo phiala nigra, запобігають утворенню пух- лин і мають лікувальну противиразкову дію (д.б.н. Т.П. Берегова, КНУ імені Тараса Шев- ченка). Меланіни є потужними й ефектив- ними сорбентами токсичних металів. Нами показано, що більшість мікроорганізмів, які містять меланіни, є стійкими до Co2+, Cu2+, Ni2+ і CrO4 2- у концентраційному діапазоні, що дорівнює 500–1000 мг метал-іонів у 1 л, і тому їх можна використати для розроблення нових біотехнологій очищення промислових стічних вод від широкого спектру металів. Таким чином, практичним результатом системного вивчення стійкості антарктич- них мікроорганізмів до УФ-ви про мі ню ван- ня стало створення колекції промислово перспективних штамів, які можуть бути ви- користані в багатьох біотехнологіях. 45ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Такий підхід є стратегічно важливим для України. Біорозвідка на науковій основі — на сьогодні єдиний доступний для нашої країни спосіб реалізувати свої права на ко- мерційне використання біоресурсів Антарк- тики. Організація цільових біорозвідуваль- них експедицій в Антарктику і фінансуван- ня відповідних наукових проектів не потре- бують витрат у мільйони доларів, проте можуть принести Україні значний прибуток завдяки впровадженню ефективних приро- доохоронних біотехнологій, отриманню біо- логічно активних речовин і створенню но- вих лікарських препаратів. Отримані результати з системного вивчен- ня стійкості антарктичних мікроорганізмів до токсичних металів дали змогу визначити передумови їх практичного використання. Антарктичні мікроорганізми виявляють по- лірезистентність другого порядку до най- більш токсичних металів у концентраціях, які в десятки й навіть сотні разів перевищу- ють максимальні концентрації металів у про- мислових стічних водах або в колекторних водах гірничопереробних і збагачувальних підприємств. Мікроорганізми є стійкими до «репрезентативних» металів, що поєднують у собі всі відомі механізми ушкодження клі- тин: це метали-окисники, метали-замісники й метали комбінованої дії (одночасно окис- ники і замісники).Саме тому антарктичні мі- кроорганізми мають виявляти стійкість не лише до шести тестованих нами металів, а й до всіх інших у будь-яких комбінаціях і в будь-якому концентраційному діапазоні. На- явність альтернативних видів взаємодії мі- кроорганізмів з металами (іммобілізація і мобілізація) дають можливість як вилучати метали з водних розчинів, так і навпаки, пе- реводити нерозчинні сполуки металів у ру- хомі. Зазначені закономірності дають змогу розробити нові біотехнології ефективного очищення будь-яких металовмісних промис- лових стічних вод, концентрування кольоро- вих, рідкісноземельних і дорогоцінних мета- лів із надрозбавлених розчинів, а також тех- нології мікробного вилуговування металів з промислово нерентабельних гірських порід. Виявлена конвергентність взаємодії ан- тарктичних мікроорганізмів і рослин з ме- талами є методологічним підґрунтям для створення новітніх біоремедіаційних техно- логій вилучення металів з ґрунтів штучни- ми рос линно-бактеріальними асоціаціями. На ос нові плазмід, що визначають стійкість антарктичних мікроорганізмів до широкого спектру металів, можна сконструювати по- лірезистентні штами, перспективні для швид- кого й ефективного очищення поліметаліч- них стічних вод. Вивчення явища антибіозу в антарктич- них мікробних ценозах привело до висно- вку, що це явище найбільшою мірою вияв- ляється в екосистемах з нерівномірним розподілом органічних сполук. Скринінг типових представників антарктичних мі- кробних ценозів дасть можливість створити колекцію продуцентів антибіотиків і в по- дальшому виділити промислово перспек- тивні штами. Однією з найістотніших характеристик ан- тарктичних мікробних ценозів є їхня здат- ність швидко адаптуватись до широкого спектру екстремальних факторів. Це було використано нами для створення нових біо- технологій, які не лише забезпечують швид- ке й ефективне знешкодження екологічно небезпечних відходів, а й дають змогу отри- мати чимало корисних продуктів. Напри- клад, стійкість типової антарктичної культу- ри Brevi bacterium antarcticum до багатьох ме- талів та її здатність відновлювати метали- окисники ми використали для очищення стічної води від токсичного катіона Cu2+. Жи- вильним субстратом для мікроорганізмів слу- гувала гнила картопля, яка є екологічно не- безпечним відходом. У проточній пілотній установці мікроорганізми в результаті від- новлення Cu2+ до нерозчинних сполук Cu(І) зменшували концентрацію міді у воді в 3250 разів (з 325 до 0,1 мг/л Cu2+). Ця біотехноло- гія дає змогу одночасно отримати чотири по- зитивних результати: перший — це деструк- ція екологічно небезпечного органічного від- ходу (гнилої картоплі); другий — очищення стічної води від токсичного металу; третій — 46 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ отримання технічної або екологічно чистої води; нарешті, четвертий — отримання кон- центрату цінного металу — нерозчинного ок- сиду й гідроксиду міді(І). Це є прикладом нерозривного зв’язку фундаментальних і прикладних досліджень. Фундаментальний аспект — роль мікробних це нозів в окисно-відновних біогеохіміч них циклах металів в Антарктиці, а прикладний — нові мікробні технології очищення стічних вод від широкого спектру металів у будь- якому концентраційному діапазоні. Здатність антарктичних мікроорганізмів швидко адаптуватись до широкого спектру органічних сполук як прояв адаптивної ре- акції до нерівномірного розподілу органіч- них речовин у антарктичних екосистемах ми використали для створення двох антарк- тичних природоохоронних біотехнологій на станції «Академік Вернадський»: мікробної технології зброджування твердих харчових відходів та очищення високомінералізова- ної фекально-побутової стічної води. У 2003 р. на українській антарктичній станції «Академік Вернадський» впрова- джено мікробну технологію зброджування змішаних овочевих і кулінарних харчових відходів. За допомогою спеціальних регуля- торів мікробного метаболізму («ноу-хау») і мікроорганізмів, виділених із морського мулу поблизу станції, харчові відходи збро- джуються впродовж 5–7 діб, а їхня маса зменшується в десятки разів. Нині на бага- тьох станціях, у тому числі й українській, фекальні стічні води за технологічною схе- мою змішуються в каналізації з солоною морською водою і надходять в антарктичне довкілля. Ми розробили мікробну техноло- гію, яка ефективно очищує стічну воду і зменшує концентрацію органічних сполук у 160 разів, з 8000 до 50 мг/л за загальним вуг- лецем. Таку воду можна скидати в море без негативних наслідків. Після певного доопрацювання «антарк- тичних» біотехнологій ми створили універ- сальну технологію, яка за допомогою регу- ляторів мікробного метаболізму дає змогу водночас швидко й ефективно зброджувати екологічно небезпечні тверді органічні від- ходи, отримувати енергоносії (Н2 або СН4) й очищувати фільтрат (токсичну рідку фрак- цію) до стану екологічно чистої води. Одним із головних висновків десятиріч- них досліджень є те, що для вирішення стра- тегічних завдань охорони довкілля в Украї- ні, наприклад, для біоремедіації побутових звалищ мегаполісів, можна й необхідно ви- користовувати природоохоронні біотехно- логії, розроблені на основі антарктичних екстремофільних мікроорганізмів для стан- ції «Академік Вернадський». Завдяки цілеспрямованій регуляції мета- болізму аборигенних мікроорганізмів, що містяться у відходах звалищ, модельні орга- нічні відходи швидко й ефективно зброджу- ються, з них одержують енергоносії (водень або метан) й екологічно чисту воду. Ми отри- мали такі інженерно-технологічні показни- ки: коефіцієнт деструкції відходів (співвід- ношення початкової та кінцевої маси відхо- дів) становить 20–50, з кожного кілограма відходів синтезується близько 70 л Н2 або 10 л СН4, а з очищеного фільтрату отриму- ють екологічно чисту воду із залишковою концентрацією органічних сполук близько 20 мг/л. За нашими розрахунками, ця біо- технологія дасть можливість здійснити біо- ремедіацію звалища приблизно за 3 роки. У перспективі такі біотехнології можуть стати предметом експортного продажу. Отримані впродовж десяти років резуль- тати досліджень привели до таких висно- вків. 1. На основі системних досліджень струк- тури і функцій мікробних екосистем (цено- зів) Західної Антарктики розроблено мето- дологію ефективної біорозвідки, тобто отри- мання мікроорганізмів, перспективних для промислових біотехнологій. 2. Встановлено закономірності форму- вання полірезистентності й кількісні пара- метри стійкості мікроорганізмів до комп- лексу екстремальних факторів: високих доз УФ-ра діації, найбільш токсичних металів (Hg2+, Cu2+, Co2+, Ni2+, Cd2+, CrО4 2-) і 20 анти- біотиків широкого спектру дії. 47ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 3 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ 3. Створено колекцію екстремофільних антарктичних мікроорганізмів, перспектив- них для біотехнологічної промисловості. Ці мікроорганізми можуть бути використані для розроблення нових косметичних препа- ратів, ліків з противиразковою дією, а також для промислового отримання ефективних антибіотиків. Пігментовані УФ-резистентні дріжджі є перспективними продуцентами каротинів і меланінів. 4. Антарктичні мікроорганізми стійкі до широкого спектру токсичних металів і з ви- сокою ефективністю вилучають їх із розчи- нів. На основі цього явища розроблено біо- технології, які дають можливість не лише знешкодити поліметалічні стічні води, а й одночасно утилізувати екологічно небезпеч- ні органічні відходи, а також отримати ко- мерційно цінні продукти — концентрат ме- талів та екологічно чисту воду. 5. Природоохоронні біотехнології, що роз- роблені для знешкодження органічних від- ходів та очищення стічних вод на україн- ській антарктичній станції «Академік Вер- надський», можуть бути впроваджені в Україні для біоремедіації побутових звалищ та очищення фільтратів мегаполісів. Нині на основі методологічних підходів біорозвідки в Антарктиці ми проводимо скринінг екстремофільних технологічно пер- спективних мікроорганізмів з таких екстре- мальних екосистем, як глибинні донні оса- ди Чорного моря, кліфи і лікувальна грязь Мертвого моря, карстові печери і шахти. Таким чином, біорозвідка є перспектив- ним науковим напрямом досліджень, який дає змогу на основі системного вивчення екстремальних мікробних екосистем розро- бити нові природоохоронні біотехнології й технології отримання широкого спектру біо- логічно активних речовин. Отримані результати є вагомим підґрун- тям для виділення в окрему програму з не- залежним сталим фінансуванням дослі- джень з біорозвідки в Антарктиці й інших екстремальних екосистемах.

Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)

Institution

Ähnliche Einträge