Медедобывающая бактерия из бразильских рудников
Химики разобрались, как бактерия из медного рудника синтезирует атомарную медь.
Медь претендует на роль металла ближайшего будущего. Если нас всё-таки ждёт эра электротранспорта вместо автомобилей и грузовиков с традиционными двигателями внутреннего сгорания, то нам понадобится ещё больше меди для производства электродвигателей и всей сопутствующей электрической инфраструктуры.
Уже сейчас больше половины всей меди в мире добывается не в рудниках и шахтах, а поступает из вторичной переработки. С одной стороны, это хорошо, что мы научились утилизировать всё, что содержит этот ценный цветной металл. Но, с другой стороны, это значит, что и ресурсы меди в мире ограничены - разведанные запасы не так уж и велики, а добыча меди весьма трудоёмка и совсем не безвредна для природы. Поэтому и дефицит меди в мире - вполне реальная перспектива. С решением этой проблемы связаны поиски новых способов добычи меди, в том числе и тех, которые приводят к меньшему загрязнению окружающей среды.
Одно из направлений более экологичной металлодобычи – это биометаллургия, т.е. использование микроорганизмов в процессе извлечения полезных ископаемых. Существуют бактерии, способные «вытаскивать» из твёрдых горных пород некоторые химические элементы, например, те же металлы. Такой метод называется бактериальным выщелачиванием – из определённым образом обработанной руды получают водный раствор, обогащённый ионами металлов.
Роль бактерий здесь состоит в том, чтобы окислить те химические элементы в составе минералов, которые можно окислить, например, серу или железо. Микроорганизмы получают за счёт этого энергию, а горнодобытчики – растворённые металлы. Дальше этот «рассол» проходит химическую обработку для разделения элементов и их последующего выделения в металлическом виде. Подобный подход используют, например, при добыче урана или той же меди из бедных руд. Однако есть бактерии, способные не окислять, а, наоборот, восстанавливать металлы из их окисленного состояния. И делают они это, что называется, не от хорошей жизни.
Дело в том, что соли меди токсичны для множества живых организмов. Тот же раствор сульфата меди (медный купорос, жидкость красивого насыщенного синего цвета) используют как антисептик и фунгицид в сельском хозяйстве: им обеззараживают почву и опрыскивают больные растения. Но бактерии не были бы бактериями, если бы не выработали защиту от этого «неприятного» металла. Например, некоторые штаммы микробов умеют превращать ионы меди в наночастицы меди, т.е. фактически в металлическую медь. В отличие от бактерий, питающихся за счёт окисления металлов, эти бактерии, наоборот, тратят свою энергию, чтобы убрать медь из среды обитания, и за счёт этого делают себе хорошо. Как пишут в Science Advances исследователи из университета Сан-Паулу и Хьюстонского университета, им удалось найти в одном из медных рудников Бразилии штамм бактерий из рода Bacillus, которые не просто умеют очищать растворы от ионов меди, но при этом получать атомарную медь – отдельные стабильные атомы меди. Атомарная медь используется в производстве катализаторов для химической промышленности или, например, для легировании сплавов.
Для того, чтобы получить атомарную медь в лабораторных условиях, обычно требуются сложные и не очень эффективные технологические процессы, вроде химического осаждения из газовой фазы или фемтосекундной лазерной абляции. «Бразильские» же бактерии производят атомарную медь сами, просто потому что хотят выжить в токсичной среде. Чтобы понять, как у них это получается, исследователи изучили белки, которые бактерии синтезировали, когда попадали в богатую ионами меди среду.
Оказалось, что для борьбы с «медным заражением» бактерии вырабатывают 145 дополнительных белков, которые они не синтезируют в своей обычной жизни. Большинство из них (102) относились к группе белков, участвующих в процессах обмена веществ и с медью каким-то образом не взаимодействующих. Скорее всего, они требовались клеткам, чтобы вырабатывать больше энергии в неблагоприятных условиях. Полтора десятка белков вырабатывались для борьбы с химическим стрессом, три из которых участвовали в транспорте ионов меди через мембрану и внутри клетки. Наконец, ещё 11 белков из оставшихся были непосредственно связаны с процессами превращения ионов меди в атомарную медь.
Исследователи говорят, что они обнаружили пока только один штамм бактерий, способный синтезировать атомарную медь, хотя их вполне может быть гораздо больше. Кроме того, пока не совсем ясно, как лучше всего выделять атомарную медь, ведь она находится внутри клетки бактерии. Впрочем, учёные смотрят на перспективы с большим оптимизмом.
1 мая 2021
Статьи по теме:
