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

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

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автор: Таширев, О.Б.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Назва видання:Вісник НАН України
Теми:
З кафедри Президії НАН України
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36159
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати: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.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-36159
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-361592025-02-09T14:43:37Z 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 2012 Article 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 Вісник НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic З кафедри Президії НАН України
З кафедри Президії НАН України
spellingShingle З кафедри Президії НАН України
З кафедри Президії НАН України
Таширев, О.Б.
Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)
Вісник НАН України
format Article
author Таширев, О.Б.
author_facet Таширев, О.Б.
author_sort Таширев, О.Б.
title Антарктида — мікробні ценози, екосистеми та біорозвідка (Наукове повідомлення на засіданні Президії НАН України 01 лютого 2012 року)
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)
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2012
topic_facet З кафедри Президії НАН України
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.
series Вісник НАН України
work_keys_str_mv AT taširevob antarktidamíkrobnícenoziekosistemitabíorozvídkanaukovepovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni01lûtogo2012roku
first_indexed 2025-11-27T00:03:18Z
last_indexed 2025-11-27T00:03:18Z
_version_ 1849899668023017472
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.

Схожі ресурси