Внутри- и внеклеточное накопление металлов микроорганизмами

Идея применения микроорганизмов для извлечения металлов из растворов издавна представлялась привлекательной не только для очистки воды, но и для получения ценных или экономически важных металлов. Возможность эксплуатации такого процесса концентрирования несомненна, поскольку хорошо известна способность живых организмов извлекать металлы из разбавленных растворов и накапливать их. Многие растения и животные концентрируют элементы из окружающей их среды в миллионы раз.

Существуют два альтернативных механизма: накопление металлов организмами в растущей культуре и суспензиями нерастущих организмов. Конечно, можно использовать и проточные колонки с иммобилизованными микроорганизмами или другие биофильтруюшие устройства. Если предполагается применение растущих культур, то потребуется довольно сложная технология. Необходимо учесть и привести в соответствие друг с другом следующие факторы:

- скорость роста организма (проточная культура);

- способность к накоплению металла и, следовательно, скорость его включения;

- возможная токсичность металла для данных организмов;

- конкуренция за извлекаемый металл между данным организмом и возможными комплексообразующими агентами среды (органическими и неорганическими);

- конкуренция между данным металлом и другими необходимыми металлами за включение в организм.

Будучи высокотехнологичным, процесс извлечения металлов с помощью растущих культур требует учета слишком многих параметров и создает много проблем. Более привлекательным представляется накопление металлов нерастущими или иммобилизованными микроорганизмами. При этом легче определять и контролировать физико-химические условия среды, в которой находятся клетки, их способность к накоплению металла. Кроме того, металл может быть переведен в раствор, относительно свободный от комплексообразующих агентов, в концентрациях, нелетальных для живых клеток.

После концентрирования металла в микроорганизме возникает проблема извлечения из него металла. Для этого можно использовать либо недеструктивный способ высвобождения металла из микроорганизма, либо экстракцию путем разрушения. В последнем случае микроорганизмы подвергают пирометаллургической обработке либо разрушают их концентрированной щелочью или кислотой. Выбор метода определяется тем, насколько легко высвобождается металл из микроорганизма и насколько ценен сам микроорганизм для того, чтобы имело смысл повторно его использовать. Ясно, что, если стоимость получения микроорганизма высока, его повторное использование весьма желательно. С другой стороны, если данный организм представляет собой дешевый побочный продукт иных производств (например, дрожжи) и/или извлекаемые металлы являются крайне ценными (например, металлы платиновой группы), то экономически предпочтителен деструктивный процесс. В любом варианте выбор организма и процесса экстракции должен определяться основными свойствами аккумулирующих металл микробных систем; самое главное - четкое понимание биохимических процессов, характерных для данного микроорганизма.

Микроорганизмы способны концентрировать металлы одним из следующих способов:

- внеклеточное накопление участвующих или не участвующих в метаболизме металлов путем связывания или осаждения их на клеточной стенке или мембранах;

- внутриклеточное накопление нужных для метаболизма металлов (например, К, Fe, Mg, Mo, следы Cu, Ni);

- внутриклеточное накопление относительно больших количеств несущественных для метаболизма металлов (например, Со, Ni, Cu, Cd, Ag), в основном с помощью механизмов, служащих для накопления существенных для метаболизма металлов.

Поглощение некоторых металлов дрожжами и бактериями осуществляется почти исключительно за счет поверхностного связывания; примером служит накопление урана дрожжами или свинца у Micrococcus. Внутриклеточное накопление может сопровождаться незначительным поверхностным связыванием; пример тому - накопление калия. Процесс накопления металлов нередко характеризуется двухфазной кинетикой, состоящей из двух стадий:

1. Быстрое энергозависимое поверхностное связывание (часто специфичное для металла и микроорганизма обратимое);

2. Энергозависимое накопление металла внутри клетки.

Сразу после введения металла в среду последний быстро связывается с клеточной поверхностью за счет независимого от энергии процесса, а затем происходит медленный перенос металла в цитоплазму клетки. Последний процесс часто является энергозависимым и протекает лишь при активном дыхании. Он может блокироваться дыхательными ядами и анаэробиозом, ингибирующими аэробное дыхание или запасание энергии. У бактерий связывание металлов с клеточной поверхностью происходит интенсивнее, чем у большинства дрожжей; так, скорость связывания металлов у Saccharomyces cerevisiae намного ниже, чем у Escherichia coli или Bacillus. Связанные с клеточной поверхностью металлы легко отделяются от нее хелатирующими агентами или разбавленными кислотами; например, кобальт, связанный с поверхностью Bacillus, легко удаляется при помощи ЭДТА. На внутриклеточное накопление металла ЭДТА не влияет. Бактериальные системы представляются предпочтительными для удаления металлов с последующим быстрым связыванием, однако энергозависимое поглощение металлов в случае дрожжей часто оказывается более эффективным, чем для бактерий. У различных штаммов родственных бактерий уровень поверхностного связывания существенно различается.

Последующее накопление металлов внутри клетки, как правило, требует специфических транспортных систем. Четко установлено, что поглощение никеля или кобальта происходит при участии системы транспорта магния, а поглощение рубидия, вероятно, при участии системы транспорта калия.

Различные металлы могут конкурировать за карбоксилы‚ гидроксилы и другие участки связывания на поверхности клетки или за транспортные системы. При поступлении в клетку иона какого-либо металла, из цитоплазмы выходят одноименно заряженные ионы. В зависимости от организма это могут быть протоны, ионы магния или калия.

Над применением микроорганизмов в биотехнологии в качестве биосорбентов металлов еще предстоит поработать. Недавно было показано‚ что уран может сорбироваться из морской воды или из растворов водорослями, дрожжами или Pseudomonas. Pseudomonas накапливает уран в цитоплазме, а для Saccharomyces характерно поверхностное связывание.

Этот связанный уран легко удаляется, и дрожжи можно использовать повторно. Потенциальные возможности развития технологии экстракции определяются многими факторами:

- Специфичность связывания должна быть достаточной для удаления определенного металла или смеси металлов из разбавленного раствора;

- Специфичность биоаккумулятора по отношению к металлу должна быть эквивалентной таковой для физико-химических методов (ионный обмен, экстракция растворителями и т. п.);

- Биоаккумулятор должен обладать способностью к извлечению из среды больших количеств металла;

- Чтобы процесс был экономически выгоден, стоимость извлекаемых металлов должна быть эквивалентна затратам на получение и, возможно, повторное использование микроорганизмов (или превышать их);

- Другие вещества окружающей среды не должны оказывать вредного воздействия на биоаккумуляторы.

Широкое разнообразие микробных систем и возможность существенного изменения микроорганизмов генетическими методами позволяют надеяться на создание биотехнологии, отвечающей всем этим требованиям. Однако к спекуляциям по поводу разработки такой технологии следует относиться с осторожностью. Дело в том, что извлечение металлов с помощью микробиологических процессов подчиняется тем же химическим законам, что и получение их обычными физическими и химическими метдами. По мере изучения способности микроорганизмов к накоплению металлов может обнаружиться, что микробные системы способны служить лишь моделями для разработки технологий искусственного извлечения металлов.