Бактерии на заброшенном заводе в Питтсбурге начали питаться промзооходами

На просторах Аппалачей и американского Ржавого пояса, включая Питтсбург, устаревшие промышленные зоны активно застраиваются современным жильем, научными хабами и инновационными кластерами. Тем не менее, на протяжении многих десятилетий эти локации претерпевали и совершенно иные трансформации.

Браунфилды, или «коричневые поля», представляют собой заброшенные индустриальные либо коммерческие площадки, повторное освоение которых часто тормозится из-за токсичного наследия. Их главные приметы — остовы старых цехов, пустыри и грунт, отравленный канцерогенными соединениями.

Однако под слоем асфакта и бетона браунфилды функционируют как полноценные экосистемы. В местной почве скрываются миллиарды живых микроорганизмов. В Питтсбурге некоторые из них на протяжении десятков лет непрерывно взаимодействовали с промышленными токсинами, вырабатывая механизмы выживания.

Будучи микробиологом, я обратил внимание на эту проблему благодаря браунфилду, расположенному буквально в моем «дворе». Моя лаборатория в Университете Карнеги — Меллона находится всего в трех километрах от Hazelwood Green — бывшей заводской территории площадью 72 гектара на побережье реки Мононгахила.

Более ста лет здесь кипело металлургическое производство, в частности силами компании Jones & Laughlin Steel Co. В годы расцвета на предприятии трудились тысячи горожан, что и создало Питтсбургу славу великой Стальной столицы.

Индустриальная эпоха оставила после себя тяжелый химический след. Подобно многим аналогичным объектам, земля Hazelwood Green оказалась насыщена нефтепродуктами, тяжелыми металлами и прочими поллютантами, из-за чего локация получила статус браунфилда. В числе опасных загрязнителей фигурируют бензол, толуол, этилбензол и ксилол — так называемая группа летучих соединений BTEX. Они представляют серьезную угрозу для всего живого и признаны канцерогенами.

В последние десятилетия Hazelwood Green активно реконструируют. Послепоселковая реабилитация превратила этот район в площадку для науки, бизнеса и досуга. На этом фоне возникает закономерный вопрос биологического характера: как чувствовали себя микроорганизмы, обитающие в этих грунтах в период их максимального загрязнения? И может ли их опыт адаптации помочь нам эффективнее очищать аналогичные территории в будущем?

Загрязнение как масштабный эволюционный полигон

Почва поражает воображение богатством своего микробного мира. В одном-единственном грамме земли насчитываются миллиарды клеток, представляющие тысячи уникальных видов. Появление таких токсинов, как BTEX, ставит перед микроорганизмами суровое испытание. Для большинства из них яды губительны, но некоторые штаммы изначально обладают ферментами, позволяющими переносить агрессивную среду или даже питаться чужеродными соединениями, получая фору перед конкурентами.

Со временем хроническое загрязнение запускает мощный естественный отбор. Выносливые бактерии не просто выживают, но и учатся утилизировать токсины, причем делятся этим ценным навыком с соседними микроорганизмами посредством горизонтального переноса генов.

Многолетнее промышленное загрязнение Hazelwood Green невольно спровоцировало гигантский эволюционный эксперимент. Наша исследовательская группа на биологическом факультете Университета Карнеги — Меллона стремится расшифровать его итоги, отбирая пробы почвы на участках с разной степенью былого заражения.

Используя керны — вертикальные цилиндрические образцы, сохраняющие стратиграфию грунта, — мы исследуем глубокие микробные сообщества. Выделив ДНК, мы применяем метагеномное секвенирование. Этот метод позволяет напрямую идентифицировать все организмы в пробе, минуя сложный этап их лабораторного культивирования.

Нам важно не просто переписать состав микробиома, но и оценить его потенциал. Одна из наших ключевых задач — обнаружить специфические гены, отвечающие за расщепление BTEX и прочих углеводородов.

Сопоставив исторические карты загрязнений с совкупительными данными по различным глубинам и зонам, мы пытаемся понять, оставило ли тяжелое прошлое неизгладимый отпечаток на структуре микробных колоний Hazelwood Green.

В поисках микроорганизмов-утилизаторов

Данные секвенирования лишь намекают на скрытые возможности микрофлоры, поэтому мы подкрепляем теорию практическими тестами. Мы культивируем штаммы, извлеченные из почв Питтсбурга, чтобы проверить их способность питаться конкретными токсичными субстратами.

Суть эксперимента по поиску деструкторов BTEX довольно прозрачна. Обычно микробы выращивают в питательных растворах с добавлением легкоусваиваемых сахаров и аминокислот. Мы же помещаем их в спартанские условия — минимальную среду, полностью лишенную привычных углеродных доноров.

Роль единственного источника питания в этом случае играют бензол, толуол, этилбензол или ксилол. Если колония продолжает развиваться, значит, бактерии научились перерабатывать яд, попутно очищая от него окружающую экосистему.

Поскольку ручной скрининг продвигается медленно, мы объединили усилия с AI Science Foundry при Университете Карнеги — Меллона. Эта роботизированная лаборатория базируется в Bakery Square — еще одной успешно рекультивированной промзоне Питтсбурга.

Автоматика позволяет одновременно тестировать тысячи штаммов, оценивая скорость утилизации поллютантов. Параллельно созданные нами открытые инструменты вроде BTEXgenie сканируют геномы в поисках целевых деградирующих последовательностей.

Такой подход переворачивает традиционную методологию. Вместо утомительного изучения единичных организмов мы анализируем массивы геномов, отсеиваем наиболее перспективных кандидатов и подтверждаем их свойства в лаборатории. С каждой новой итерацией точность наших ДНК-прогнозов растет, ускоряя весь исследовательский процесс.

Способны ли микробы нейтрализовать индуцированное нами загрязнение?

Ликвидация почвенных токсинов — задача трудоемкая и дорогостоящая. Традиционные методы санации, такие как выемка грунта или его изоляция под насыпным слоем, делают площадку пригодной для стройки, но не уничтожают саму заразу, требуя постоянного контроля.

Применение биологических агентов для очистки среды — концепция не новая. Биоремедиация успешно справляется с ликвидацией нефтяных разливов и очисткой стоков, поскольку многие микробы способны расщеплять сложные углеводороды до менее опасных компонентов.

Тем не менее, этот метод универсален далеко не для всех типов загрязнений и ландшафтов. Главная трудность заключается в подборе штаммов, способных одновременно расщеплять конкретный токсин и выживать в реальных условиях зараженного участка. Именно здесь анализ аборигенной микрофлоры дает максимальный эффект.

Изучая естественные механизмы адаптации местных бактерий и их метаболизм, мы получаем шанс вывести биоремедиацию на совершенно иной уровень эффективности.

Пока старые промышленные ареалы Питтсбурга и всего Ржавого пояса превращаются в передовые технологические центры, необходимые нам экологические инновации, вполне возможно, все это время формировались прямо под нашими ногами. И мы лишь подходим к моменту, когда сможем разгадать секреты местной микробиоты.

Источник