Jak si vychovat bakterii, která ráda jí plasty?

Plasty jsou každodenní součástí našeho života. Podstatná část plastů zahrnuje polychlorované uhlovodíky, jako je PVC (polyvinyl chlorid) používaný např. při výrobě rámů oken nebo sprchových koutů. Život bez chlorovaných plastů si zatím nedokážeme představit. Plní mnoho důležitých funkcí, ale mají i svou temnou stránku. Příroda je sama neprodukuje, pouze člověk, a proto jsou velmi těžce rozložitelné a zůstávají v přírodě mnoho desítek let. Dokonce už tvoří rozsáhlé plovoucí plastové ostrovy o rozloze stovek tisíců kilometrů čtverečných.

Jak se jich tedy zbavit? Mohou být chlorované uhlovodíky potravou pro bakterie? A co další nerozložitelné a škodlivé chlorované uhlovodíky jako DDT nebo polychlorované bifenily? Poslední výzkumy vědců z Arizona State University ukazují, že ano, a dokonce určitým bakteriím velmi chutnají. Během posledních let publikovala Anca Delgado, členka výzkumného týmu, několik studií v časopise PLOS ONE, které ukazují, jak specializovaná skupina bakterií přeměňuje chlorované uhlovodíky na neškodné a hlavně přírodě známé produkty.

Studie se zabývají metabolizmem specializované skupiny mikroorganismů známé jako Dehalococcoides. V nich je ukrytý potenciál pro odbourávání chlorovaných uhlovodíků.

„Dehalococcoides jsou známi již od roku 1997 a doposud se zatím neobjevila žádná jiná skupina bakterií schopná reduktivní dechlorace, tj. přerušení vazby chlor-uhlík. Jejich význam pro rozklad chlorovaných uhlovodíků je tedy obrovský“, říká Delgado.

Tým si jako modelovou sloučeninu zvolil trichlorethen (TCE), jeden z nejběžnějších chlorovaných uhlovodíků. TCE je nasládle vonící, nehořlavá kapalina, která byla hojně používaná v minulém století jako průmyslové rozpouštědlo na odmaštění povrchu kovů. Nesprávnou manipulací a likvidací chlorovaných uhlovodíků, včetně TCE, došlo v minulosti k rozsáhlým kontaminacím nejen na území USA ale po celém světě. Chlorovanými rozpouštědly je kontaminováno přibližně 20% podzemních zdrojů vody.

Jak se později zjistilo TCE má mnoho škodlivých účinků. Nejzávažnějším je, že může způsobovat rakovinné bujení. V roce 2011 ho US EPA (Environmental Protection Agency) zařadila na seznam potenciálních lidských karcinogenů. 

Jak to tedy bakterie rodu Dehalococcoides dělají, že dokáží chlorované uhlovodíky rozkládat? „Bakterie využívají chlorované uhlovodíky stejně, jako my využíváme kyslík, tj. prodýchávají je“, říká další člen týmu, Rosa Krajmalnik-Brown. „Pokaždé, když navštívíme plochu kontaminovanou chlorovanými uhlovodíky a detekujeme ethen, víme, že jsou přítomné bakterie Dehalococcoides. Nicméně, za určitých situací bakterie nedokončí transformaci TCE na ethen a vypustí do prostředí meziprodukt, vinyl chlorid. Ten je bohužel toxičtější než TCE".

Výzkum posledních několika let se tedy soustředil na objasnění, proč k této neúplné transformaci dochází. Nejprve se předpokládalo, že na plochách, kde k tomu docházelo, nemají bakterie Dehalococcoides funkční celou metabolickou dráhu. Tu mohli ztratit mutací genu. Další teorií bylo, že během transformace dochází k inhibici růstu bakterií a ta sama zastaví transformaci na meziproduktu vinyl chloridu.

Delgado ale v nové studii popisuje třetí a možná nejpravděpodobnější vysvětleni. Dehalococcoides potřebují k redukci chlorovaných sloučenin jako donor elektronů vodík (H₂). Za určitých podmínek, které vědci simulovali v laboratoři, je H₂ bakteriím Dehalococcoides „kraden“ jinými bakteriemi, které s nimi žijí v půdě a sedimentu. Aby tuto teorii prokázali, odebrali vědci vzorky z různě kontaminovaných půd. Výsledky ukázaly, že v půdách s žádnou nebo nízkou kontaminací chlorovanými uhlovodíky jsou Dehalococcoides „okrádány“ o H₂. V těchto půdách existuje celá řada bakteriálních skupin, které H₂ využívají pro svůj růst. Dehalococcoides tuto přetahovanou o H₂ prohrávají a dokáží provádět pouze částečnou transformaci na toxický vinyl chlorid. Ovšem pokud je půda kontaminována velkým množstvím chlorovaných uhlovodíků, dojde k výraznému selekčnímu tlaku na bakterie. Většina jich umírá, Dehalococcoides začínají dominovat a protože jim nikdo nekrade H₂, jsou schopné úplné přeměny TCE na ethen. Podobného výsledku bylo dosaženo i po inokulaci Dehalococcoides do málo kontaminované půdy.

Dalším objevem bylo, že zloději H₂ jsou zřejmě specializované skupiny mikroorganismů (metanogeni a acetogeni). Ty pomocí H₂ redukují uhličitany běžně přítomné v půdě na metan a acetát. Uhličitany se běžně přidávají do kontaminovaných lokalit, aby se zvýšilo pH. Pokud se přidávat přestanou a pH se bude regulovat jinak, podpoří se růst Dehalococcoides a také kompletní rozklad chlorovaných uhlovodíků.

Delgado a její kolegové využili tyto znalosti pro laboratorní kultivace bakterií Dehalococcoides v kontinuálně pracujícím bioreaktoru. V těchto regulovaných podmínkách se bakteriím dařilo a velmi účinně rozkládaly testované chlorované uhlovodíky. V současné době tým spolupracuje s bioremediačními společnostmi, se kterými by chtěli provést testy v reálných podmínkách.

„Náš výzkum ukázal, jak je důležité propojovat chemické a mikrobiologické poznatky, které společně pomohou pochopit procesy probíhající v kontaminovaných lokalitách“, dodává Delgado. Výsledky, které výzkum přináší, pomohou zlepšit obtížnou bioremediaci kontaminovaných lokalit chlorovanými uhlovodíky po celém světě.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Arizona State University. "Managing specialized microbes to clean stubborn chemicals from environment." ScienceDaily. ScienceDaily, 26 June 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/06/140626101900.htm>.

Anca G. Delgado, Dae-Wook Kang, Katherine G. Nelson, Devyn Fajardo-Williams, Joseph F. Miceli, Hansa Y. Done, Sudeep C. Popat, Rosa Krajmalnik-Brown. Selective Enrichment Yields Robust Ethene-Producing Dechlorinating Cultures from Microcosms Stalled at cis-Dichloroethene. PLoS ONE, 2014; 9 (6): e100654 DOI: 10.1371/journal.pone.0100654

Anca G Delgado, Prathap Parameswaran, Devyn Fajardo-Williams, Rolf U Halden, Rosa Krajmalnik-Brown. Role of bicarbonate as a pH buffer and electron sink in microbial dechlorination of chloroethenes. Microbial Cell Factories, 2012; 11 (1): 128 DOI: 10.1186/1475-2859-11-128