БЕРКЛИ, Калифорния - На глубине 75 метров под поверхностью площадки в Айдахо, где более 40 лет хранились высокорадиоактивные отходы, микроорганизмы, живущие в порах и трещинах сухой базальтовой породы, способны превращают токсичную форму хрома в гораздо менее токсичную форму, и они делают это быстрее в присутствии летучих органических отходов.
Хой-Йинг Холман и ее коллеги Дейл Перри, Майкл Мартин, Уэйн МакКинни и Дженни Хантер-Севера из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики сделали это открытие, изучив образцы керна из-под Комплекса обращения с радиоактивными отходами в Национальная инженерно-экологическая лаборатория Министерства энергетики штата Айдахо. Используя инфракрасную спектромикроскопию в усовершенствованном источнике света (ALS) Berkeley Lab, они впервые смогли проследить уменьшение токсичных металлов среди популяций живых организмов на минералах. Исследователи обсудят свои выводы в предстоящем номере журнала Geomicrobiology за октябрь/ноябрь.
«Мы показали, что органические пары могут ускорять превращение подвижных, токсичных загрязнителей хрома в менее подвижные, менее токсичные, стабильные соединения», - говорит Холман, химик и инженер из Отделения наук о Земле Беркли Лаборатории и Центра Экологическая биотехнология (CEB). «Это должно помочь в разработке и внедрении новых, экологически чистых методов восстановления для очистки полигонов смешанных отходов».
Участок в Айдахо загрязнен смесями шестивалентного хрома и других неорганических ионов, радионуклидов, нефтяных углеводородов и летучих органических соединений. Шестивалентный хром (Cr6+) является канцерогенным, мутагенным и высокотоксичным для живых организмов, поскольку он содержится в растворимых хроматах, которые легко проникают через клеточные мембраны. Оказавшись внутри клетки, эти ионы восстанавливаются (присоединяются электроны) сначала до пятивалентного хрома (Cr5+), затем до трехвалентного хрома (Cr3+), что нарушает репликацию ДНК.
Вне клетки, однако, трехвалентный хром гораздо менее токсичен, потому что он нерастворим и не может проникать через клеточные мембраны. «Ионы поливалентных металлов на этом и других загрязненных участках восстанавливаются на поверхности геологических материалов - это было известно давно, - говорит Холман, - но существовало два взгляда на то, как это происходит».
Сухие базальты реки Колумбия ограничены органическим углеродом и другими питательными веществами, говорит Холман, но плотные скопления микроорганизмов живут в порах и трещинах породы. «Когда вода просачивается из-за дождя или таяния снега, поток питательных веществ достигает их через трещины в скале, и они расцветают, как цветы в пустыне», что позволяет предположить, что микробы могут играть роль в реакциях с ионами металлов.
Однако было неясно, какие микроорганизмы могут быть вовлечены в механизм биологического восстановления и какие метаболические процессы важны. Альтернативная гипотеза химического механизма предполагала, что оксиды металлов, такие как оксиды железа в базальте, могут катализировать восстановление без помощи живых микробов.
Чтобы определить, какой механизм работает, Холман и ее коллеги получили образцы базальтового керна из ненасыщенной породы над уровнем грунтовых вод. Из них Тамас Торок, микробиолог CEB из отдела наук о жизни лаборатории, выделил и очистил 85 штаммов микроорганизмов, многие из которых устойчивы к шестивалентному хрому и способны его восстанавливать, особенно в присутствии толуола (C7H8), еще одного загрязнителя участка., что является частым следствием протекания топливных баков.
Эти химические реакции обычно проходили через одну или несколько стадий, и многие организмы сталкивались с узкими местами, которые замедляли процесс. Один штамм бактерий, Arthrobacter oxydans, оказался наиболее эффективным.
Arthrobacter oxydans имеет тенденцию концентрироваться в областях, богатых магнетитом, соединением оксида железа, распространенным в базальтах; исследователи должны были исключить возможность того, что сам магнетит был ответственен за восстановление. Они проверили, протекают ли реакции на стерилизованном магнетите в реальных условиях окружающей среды: в аэробной атмосфере, при комнатной температуре и в темноте..
Arthrobacter oxydans был повторно интродуцирован на некоторых стерилизованных образцах магнетита. Разбавленный раствор хромата наносили как на абиотические (бесплодные), так и на биотические (жилые) образцы магнетита; в отдельной серии испытаний образцы также окунали в разреженные пары толуола.
Работая над инфракрасным лучом ALS в течение пяти дней, исследователи применили спектроскопию с преобразованием Фурье, чтобы наблюдать этапы процесса восстановления и точное местоположение восстановленного хрома.
«Инфракрасный диапазон - это конец спектра, который обычно не ассоциируется с синхротронами, - говорит Холман, - но для нас он идеален - и не только потому, что он не разрушает организмы. область микрометра», которая является размером луча.«Мы идентифицировали маркеры в этой спектральной области, которые отслеживали ключевые соединения, которые претерпевают изменения. Мы могли разрешить спектр во времени, чтобы проследить различные этапы восстановления, а также в пространстве, чтобы увидеть, где именно происходили реакции».
На образцах без живых бактерий никаких изменений не наблюдалось. В образцах с живыми Arthrobacter oxydans в отсутствие толуола восстановление хрома было слабым.
Но там, где Arthrobacter oxydans подверглись воздействию толуола, инфракрасная спектромикроскопия показала, что шестивалентный хром и толуол были заменены пятивалентным хромом и продуктами разложения углеводородов в ассоциации с биомолекулами - прямо там, где были сконцентрированы бактерии.
Было ли это уменьшение количества микробов точным отражением того, что произошло на свалке? «Теперь нам нужно было изучить естественные сообщества в базальте», - говорит Холман, и для этого ей пришлось разработать уникальную алмазную пилу, которая могла бы медленно, при низких температурах, в асептических условиях резать тонкие срезы из свежих базальтовых кернов.
В течение четырех месяцев кусочки природного камня, в которых все еще сохранялись живые сообщества микробов, подвергались воздействию растворов шестивалентного хрома и паров толуола. Сначала инфракрасная спектромикроскопия не показала признаков редукции, и оказалось, что многие организмы умирают. Но через четыре месяца было замечено, что устойчивые к хрому и восстанавливающие хром естественные микроорганизмы процветают в сочетании с трехвалентным хромом.
Говорит Холман: «Насколько нам известно, инфракрасные синхротронные исследования впервые используются для отслеживания этапов трансформации токсичного хрома на минеральных поверхностях».
The Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, штат Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом.
Дополнительная информация: Микробное восстановление шестивалентного хрома - доступно на https://www-als.lbl.gov/als/als_news/news_archive/vol.133_080499.html 1