Магнитные бактерии: микроорганизмы помогают извлекать опасные тяжёлые металлы из сточных вод
Исследователи из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) смогли очистить воду, содержащую уран, с помощью особого вида бактерий — магнитотактических. Их название происходит от способности реагировать на магнитные поля. Они могут накапливать растворённые тяжёлые металлы в своих клеточных стенках. Эти результаты также проливают новый свет на взаимодействие урана с биолигандами.
Эксперименты направлены на потенциальное промышленное применение в области микробиологической очистки воды, особенно загрязнённой тяжёлыми металлами, как в дренажных водах старых урановых рудников. Для этого проекта учёные использовали магнитотактических бактерий, которые из-за своей структуры идеально подходят для такой задачи.
Уникальное свойство: биологический магнит
Эти бактерии отличаются от других тем, что образуют внутри клетки наноскопические магнитные кристаллы. Они расположены, как бусы, и настолько совершенны, что люди пока не могут воспроизвести их синтетически. Каждый кристалл заключён в защитную мембрану. Вместе кристалл и мембрана образуют магнетосому, которую бактерии используют для ориентации по магнитному полю Земли. Это свойство также делает их пригодными для простого отделения от воды.
Бактерий можно найти почти в любой водной среде, от пресной до солёной воды, включая среды с малым количеством питательных веществ. Штамм для исследований был получен от французских коллег из Комиссариата по атомной энергии (CEA).
Стабильные коллекторы тяжёлых металлов
Магнитотактические бактерии выживают при нейтральных значениях pH даже в растворах с высокими концентрациями урана. В широком диапазоне pH они связывают уран почти исключительно в своих клеточных стенках — это отличная основа для работы с условиями шахтных вод. Уран не проникает внутрь клетки и не связывается магнетосомой.
Клеточные стенки этих бактерий состоят из пептидогликанового слоя толщиной всего 4 нанометра, а снаружи окружены мембраной из сахаров и жироподобных компонентов — потенциальными точками связывания для урана.
Результаты показывают, что у магнитотактических бактерий пептидогликан играет главную роль в поглощении урана. Это новое и неожиданное знание для данного типа бактерий. Команде даже удалось идентифицировать три конкретных вида комплексов урана с пептидогликаном. Эти новые insights стали возможны благодаря комбинации микроскопии и различных спектроскопических методов.
Значение для очистки загрязнённой воды
Благодаря магнитным свойствам, бактерии можно легко отделить от воды с помощью магнитов. Это можно делать прямо в поверхностных водах или в пилотных очистных установках.
Использование магнитотактических бактерий может стать эффективной альтернативой дорогим традиционным химическим методам, поскольку бактерии неприхотливы в содержании. Другие биомассовые решения часто терпят неудачу из-за затрат на питательные вещества и энергию.
Исследователей также интересует, как эти микроорганизмы взаимодействуют с радионуклидами в различных степенях окисления, в частности, с плутонием. Из-за химического сходства с железом он может использовать другие пути проникновения в клетку. Это влияет на миграционное поведение плутония в природе и может быть способом его удаления из сточных вод, что также актуально для исследований по захоронению отходов.
Результаты опубликованы в Journal of Hazardous Materials.