Статья: Устойчивость к тяжелым металлам ацидофильных хемолитотрофных бактерий, выделенных из техногенного сырья

Pb²+ > Ni²+ > Co²+ >Zn²+ > Cd²+ >Cu²+

Максимальную устойчивость ко всем изученным ионам металлов проявляли Acidithiobacillus ferrooxidans Lv red 9 и Acidithiobacillus ferrooxidans Lv black 37, изолированные из отвалов обогащения углей.

Рис. 1. Рост A. ferrooxidans Lv red 9 (1), A. ferrooxidans Lv black 37 (2),

Рис. 2. Рост А. ferrooxidans Lv red 9 (1), A. ferrooxidans DTV 1 (2), A. ferrooxidans Lv black 37 (3) в присутствии 0,70 г/дм³ Pb²⁺

Рис. 3. Рост A. ferrooxidans Lad 27 (1)

Рис. 4. Рост A. ferrooxidans Lv red 9 (1), A. ferrooxidans Lv black 37 (2), A. ferrooxidans DТV 1 (3) в присутствии 6,8 г/дм3 Со2+ Fig.4. Growth of A. ferrooxidans Lv red 9 (1), A. ferrooxidans Lv black 37 (2), A. ferrooxidans DТV 1 (3) in the presence of 6,8 г/дм3 Со2+

Таблица 3

Минимальные ингибирующие концентрации (г/дм³) для штаммов, изолированных из отходов ТЭК

Штаммы A. ferrooxidans, изолированные из отходов сжигания углей - золы уноса и золошлака, проявили меньшую устойчивость по отношению к ионам тяжелых металлов. Однако, несмотря на один и тот же источник выделения - зола уноса Ладыжинской ТЭС, МИК ионов металлов для А. ferrooxidans Lad 27 и А. ferrooxidans Lad 5 были различными. Так, уровень резистентности А. ferrooxidans Lad 27 достаточно высок и незначительно отличается от этого показателя для наиболее резистентных А. ferrooxidans Lv red 9 и А. ferrooxidans Lv black 37. В тоже время МИК ионов металлов для А. ferrooxidans Lad 5 была минимальной по сравнению со всеми исследуемыми штаммами. Выявленные внутри видовые различия бактерий могут быть связаны с их индивидуальными особенностями, в частности, локализацией генов устойчивости, влияющих на механизмы формирования резистентности (наличие внеклеточного барьера, активный транспорт ионов металлов и др.) [2, 6, 9].

Устойчивость бактерий штамма A. ferrooxidans DTV 1, изолированного из золошлака Добротворской ТЭС, к ионам меди и свинца была сравнима с этим показателем для А. ferrooxidans Lv red 9 и А. ferrooxidans Lv black 37, но уровень резистентности к другим металлам был в 1,5-4,0 раза меньше (табл. 3). При этом необходимо отметить, что в золе уноса и золошлаке концентрация большинства тяжелых металлов превышала их содержание в отвалах углеобогащения (табл. 2).

Отличия имели место и при сравнении резистентности представителей разных видов рода Acidithiobacillus, выделенных из одного и того же субстрата. Так, штаммы рода Acidithiobacillus thiooxidans Lv red 11 и Acidithiobacillus thiooxidans Lv black 6, изолированные из отвалов углеобогащения, проявляли минимальную устойчивость ко всем ионам металлов, по сравнению со штаммами A. ferrooxidans Lv red 9 и A. ferrooxidans Lv black 37. Эти штаммы обладали одинаковой устойчивостью к цинку и кадмию, но A. thiooxidans Lv red 11 оказался более устойчивым к меди и кобальту, а A. thiooxidans Lv black 6 - к никелю. Минимальный уровень резистентности штаммов Acidithiobfcillus thiooxidans к металлам обусловлен использованием тиосульфата в качестве источника энергии. При использовании в качестве энергетического субстрата двухвалентного железа у Acidithiobfcillus ferrooxidans вероятно происходит инактивация белков внешней мембраны и подавление ионных переносчиков, в результате чего снижается приток ионов металлов в клетку и, как следствие, их токсическое воздействие на клетки бактерий [7].

МИК ионов тяжелых металлов для умеренно термофильного штамма Sulfobacillus sp. Lad 29, изолированного из золы уноса Ладыжинской ТЭС, практически не отличались от полученных данных для A. ferrooxidans, изолированных из отвалов углеобогащения. В целом все выделенные штаммы были лучше адаптированы к росту в присутствии солей тяжелых металлов по сравнению с типовым А. ferrooxidans ATCC 23270. По мере убывания устойчивости всех изученных штаммов к ионам тяжелых металлов их можно расположить в ряд: A. ferrooxidans Lv red 9 > A. ferrooxidans Lv black 37 > Sulfobacillus sp. Lad 29 > A. ferrooxidans Lad 27 > A. ferrooxidans DTV 1 >thiooxidans Lv red 11 > A. thiooxidans Lv black 6 > A. ferrooxidans Lad 5 >ferrooxidans ATCC 23270.

Полученные результаты свидетельствуют о высоком уровне резистентности бактерий, изолированных из отвальных продуктов ТЭК, к ионам тяжелых металлов. При этом минимальные концентрации металлов, при которых еще сохраняется жизнеспособность штаммов, в несколько раз превышают их содержание в отходах (табл. 1).

Полученные результаты согласуются с немногочисленными литературными данными, большинство из которых касаются резистентности АХБ, изолированных из природних сульфидных руд. Приводятся различные результаты об устойчивости Acidithiobacillus ferrooxidans к ионам тяжелых металлов, что связано с источником выделения и особенностями штаммов. Имеются данные о росте Thiobacillus ferrooxidans, выделенного из индийского медного рудника в присутствии 10,0 и 20,0 г/дм³ иона Cu²+, однако при этом показано снижение способности окислять железо практически на 80,0-90,0% [15]. В работе [16] указано, что уровни резистентности двух типовых штаммов Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 53993 и Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270 к меди отличались и составляли 25,0 и 6,2 г/дм³, соответственно. В работе Boyer A. et all [11] приводятся данные о толерантности бактерий штамма Thiobacillus ferrooxidans DSM 583 к 38,4 г/дм³ ионов Cu²+, однако уже при 44,8 г/дм³ Cu²+ полностью ингибировался рост бактерий указанного штамма. В работе [13] приведены данные по изучению устойчивости бактерий десяти штаммов Thiobacillus ferrooxidans, изолированных из урановых шахт и хвостохранилищ никелевых рудников, к меди, никелю, урану и торию. Имеются результаты ряда исследователей по устойчивости бактерий различных штаммов A. ferrooxidans, выделенных из природных сред и экспериментальных установок. Выявлена устойчивость A. ferrooxidans к 51,2 г/дм³ Cu²+, 70,7 г/дм³ Zn²+, 56,0 г/дм³ Cd²+ [8, 13]. Авторы большинства работ связывают различные уровни резистентности штаммов с их естественной физиологической изменчивостью, зависящей, в частности, от источников выделения.

Таким образом, полученные результаты позволяют отнести штаммы АХБ, выделенные из техногенного сырья, к полирезистентным, так как они проявили высокий уровень устойчивости к широкому кругу ионов тяжелых металлов в широком диапазоне концентраций. Результаты исследований свидетельствуют о межвидовом и внутривидовом различии в резистентности изученных штаммов к ионам металлов. Это может быть связано с различными факторами физиологического и генетического характера: снижением проницаемости клеточной стенки для ионов тяжелых металлов; образованием большого количества слизи, адсорбирующей и инактивирующей ионы металлов; наличием у бактерий внехромосомных факторов устойчивости - плазмид и транспозонов [2, 6, 9]. Если учитывать весь комплекс практически полезных свойств выделенных штаммов с точки зрения их резистентности по отношению к ионам тяжелых металлов, а также установленных ранее в работе [10] скорости роста, активности окисления железа (II) как источника энергии, способности к адаптации и выщелачивающей активности, наибольший интерес представляют изолированные из отвалов углеобогащения мезофильные штаммы A. ferrooxidans Lv black 37 и A. ferrooxidans Lv red 9. Эти результаты значительно расширили возможности применения биотехнологических методов переработки как геогенного так и техногенного сырья и легли в основу разработки эффективного унифицированного бактериального препарата, способного извлекать металлы из техногенных субстратов ТЭК Украины с высокими показателями.

Список использованной литературы

1. Карпінець Л., Лобачевська О., Баранов В., Дяків С., Гнатуш С. Вміст загального нітрогену і важких металів у гаметофіті мохів та поверхневому шарі техногенного субстрату шахтних відвалів // Біологічні Студії. - 2017. - Т 11, № 1. - 101-108. DOI: https://doi.org/10.30970/sbi.1101.521

2. Кушкевич І., Гнатуш С., Гудзь С. Вплив важких металів на клітини мікроорганізмів // Вісник Львів. ун-ту. Серія біологічна. - 2007. - Т 45. - С. 3-28.

3. Таширев А. Б., Рокитко П. В., Левишко А. С., Романовская В. А., Та- ширева. А. А. Устойчивость к токсичным металлам хемоорганотрофных бактерий, изолированных из антарктических клифов // Мікробіол. журн.- 2012. - Т 74, № 2. - С. 3-7.

4. Таширев А. Б., Рокитко П. В., Суслова О. С. Устойчивость микроорганизмов карстовых полостей мушкарова яма и куйбышевская к соединениям токсичной меди (II) // Вода: Химия и экология. - 2015. - № 1. - С. 64-72.

5. Теплая Г. А. Тяжелые металлы как фактор загрязнения окружающей среды. Обзор // Астраханский вестник экологического образования. - 2013. - Т 1, № 23.- С. 182-192.

6. Янева О. Д. Механизмы устойчивости бактерий к ионам тяжелых металлов // Мікробіол. журн. - 2009. - Т 71, № 6. - С. 54-65.

7. Almarcegui R. J., Navarro C. A., Paradela A., Albar J.P., et al. Response to copper of Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270 grown in elemental sulfur // Research in Microbiology. - 2014. - Vol. 165. - P. 761-772. doi.org/10.1016/j. resmic.2014.07.005.

8. Baillet F, Magnin J. P, Cheruy J. P, Ozil P Cadmium Tolerance and Uptake by a Thiobacillus ferrooxidans Biomass // Environmental Technology. - 1997. - Vol. 18, № 6. - Р 631-637. doi: 10.1080/09593331808616581.

9. Banerjee C. Genetics of metal resistance in acidophilic prokaryotes of acidic mine environments // Indian Journal of Experimental Biology. - 2004. - Vol. 42. - Р 9-25. doi 10.1099/mic.0.037143-0

10. I. Blayda, T. Vasylieva, L. Sliusarenko, N. Vasylieva, V. Baranov,

S. Shuliakova. Isolation and Study of the Main Properties of Acidophilic Chemolithotrophic Bacteria Isolated from the Waste Dumps of Fuel-energy Complex of Ukraine // Studia Biologica. - 2018. - V. 12, № 3-4. - C. 3-16. DOI: https://doi.org/10.30970/sbi.1203.570

11. Boyer A., Magnin J.-P., Ozil P. Copper ion removal by Thiobacillus ferrooxidans biomass // Biotechnology Letters. - 1998. - Vol. 20, №2 2. - P 187- 190.

12. Gadd G. M. Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation // Microbiology. - 2010. - Vol. 156. - P 609-643. doi 10.1099/ mic.0.037143-0.

13. Kondratyeva F. Tamara, Muntyan N. Lyudmila, Karavaiko I. Grygory. Zinc- and arsenic-resistant strains of Thiobacillus ferrooxidans have increased copy numbers of chromosomal resistance genes // Microbiology. - 1995. - Vol. 141. - P 1157-1162. doi: 10.1099/13500872-141-5-1157

14. Kuzmishyna S, Hnatush S, Moroz O, Karpinets L, Baranov V. Microbiota of Chervonograd Mining Region. Visnyk of the Lviv University. Series Biology. -2014. - T 67. - C. 234-242.

15. Natarajan K. A., Sudeesha K., Ramananda G. Rao. Stability of copper tolerance in Thiobacillus ferrooxidans // Antonie van Leeuwenhoek. - 1994. - Vol. 66. - P 303-306. doi:10.1007/BF00882764

16. Orellana L. H., Jerez C. A. A genomic island provides Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 53993 additional copper resistance: a possible competitive advantage // Appl. Microbiol. Biotechnol.- 2011. - 92, № 4. - P 761-767. doi: 10.1007/s00253-011-3494-x

17. Tuovinen O. H., Niemela S. I., GyllenbergH. G. Tolerance of Thiobacillus ferrooxidans to some metals // Antonie van Leeuwenhoek. - 1971. - Vol. 37, № 1. - p 489-496. doi: 10.1007/BF02218519

References

1. Karpinets L, Lobachevska O, Baranov V, Diakiv S, Hnatush S. Total Content of Nitrogen and Heavy Metals in the Mosses Gametophyte and in Upper Layer of Technogenic Substrates of the Mine Dumps. Studia Biologica. 2017;11(1):101-8. (In Ukrainian). DOI: https://doi.org/10.30970/sbi.1101.521

2. Kushkevych I, Gnatush S, Gudz S. Vplyv vazhkyx metaliv na klityny mikroorganizmiv. Visnyk Lviv. un-tu. Seriya biologichna. 2007; 45: 3-28. (In Ukrainian).

3. Tashyrev AB, Rokitko PV Levishko AS, Romanovskaya VA, Tashyreva AA. Ustoychivost k toksichnyim metallam hemoorganotrofnyih bakteriy, izolirovanny- ih iz antarkticheskih klifov. Mikrobiol. Zhurn. 2012; 74(2): 3-7 (in Russian)

4. Tashirev AB, Rokitko PV, Suslova OS. Ustoychivost mikroorganizmov karstovyih polostey mushkarova yama i kuybyishevskaya k soedineniyam toksichnoy medi (II). Voda: Himiya i ekologiya. 2015; 1: 64-72. (in Russian)

5. Teplaya GA. Tyazhelyie metallyi kak faktor zagryazneniya okruzhayuschey sredyi. Obzor. Astrahanskiy vestnik ekologicheskogo obrazovaniya. 2013; 1(23): 182-192. (in Russian)

6. Ianieva OD. Mehanizmyi ustoychivosti bakteriy k ionam tyazhelyih

7. metallov. Mikrobiol. Zhurn. 2009; 71(6): 54-65. (in Russian)

8. AlmarceguiRJ, Navarro CA, ParadelaA, Albar JP et al. Response to copper of Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270 grown in elemental sulfur. Research in Microbiology. 2014; 165: 761-772. doi.org/10.1016/j.resmic.2014.07.005.

9. Baillet F, Magnin JP, Cheruy JP, Ozil P Cadmium Tolerance and Uptake by a Thiobacillus Ferrooxidans Biomass, Environmental Technology. 1997; 18(6): 631-637. doi: 10.1080/09593331808616581.

10. Banerjee C. Genetics of metal resistance in acidophilic prokaryotes of acidic mine environments. Indian Journal of Experimental Biology. 2004; (42): 9-25. doi 10.1099/mic.0.037143-0

11. BlaydaI, Vasylieva T, SliusarenkoL, VasylievaN, Baranov V, Shuliakova S. Isolation and Study of the Main Properties of Acidophilic Chemolithotrophic Bacteria Isolated from the Waste Dumps of Fuel-energy Complex of Ukraine. Studia Biologica.2018; 12(3-4): 3-16. DOI: https://doi.org/10.30970/sbi.1203.570.

12. Boyer A, Magnin JP, Ozil P Copper ion removal by Thiobacillus ferrooxidans biomass. Biotechnology Letters. 1998; 20(2): 87-190.

13. Gadd GM. Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation. Microbiology. 2010; 156: 609-643. DOI 10.1099/mic.0.037143-0

14. Kondratyeva TF, Muntyan LN, Karavaiko GI. Zinc- and arsenic-resistant strains of Thiobacillus ferrooxidans have increased copy numbers of chromosomal resistance genes. Microbiology. 1995; 141: 1157-1162. doi: 10.1099/13500872- 141-5-1157

15. Kuzmishyna S, Hnatush S, Moroz O, Karpinets L, Baranov V. Microbiota Of Chervonograd Mining Region. Visnyk of the Lviv University. Series BIology. 2014;67:234-42.

16. Natarajan KA, Sudeesha K, Ramananda GR. Stability of copper tolerance in Thiobacillus ferrooxidans. Antonie van Leeuwenhoek. 1994; 66: 303-306. doi:10.1007/BF00882764

17. Orellana LH, Jerez CA. A genomic island provides Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 53993 additional copper resistance: a possible competitive advantage. Appl Microbiol Biotechnol. 2011;92(4): 761-767. doi: 10.1007/s00253- 011-3494-x

18. Tuovinen OH, Niemela SI, Gyllenberg HG. Tolerance of Thiobacillus ferrooxidans to some metals. Antonie van Leeuwenhoek. 1971; 37(1): 489-496.