SCHATTENBLICK - VÝSKUM 387 prvokov na olejovej diéte (MaxPlanckResearch)
MaxPlanckResearch - vedecký časopis spoločnosti Max Planck Society 3/2010
Prvoky na olejovej diéte
Autor: Tim Schröder
Baktérie môžu žiť takmer na čomkoľvek, niektoré dokonca na oleji. Friedrich Widdel, Riaditeľ dňa Inštitút Maxa Plancka pre morskú mikrobiológiu, skúma mikróby, ktoré bez kyslíka rozkladajú ropné uhľovodíky hlboko v sedimente. Mohli by pomôcť pri nehodách tankerov?
Baktérie to z hľadiska krásy dotiahli až tak ďaleko, "hovorí Friedrich Widdel a položí na stôl niekoľko čiernobielych fotografií. Na jednej je kopa tenkých čiernych línií, na druhej malé sivé guľôčky. Vonkajšie baktérie Nie viac ako abstraktný roj. Napriek tomu sú pre Widdela také vzrušujúce, že sa ich venuje už viac ako 30 rokov. “Ich metabolizmus je úplne fascinujúci. Baktérie môžu robiť veci, ktoré nedokáže žiadna vyššia živá bytosť. ““
Niektoré z nich majú v skutočnosti skutočne veľa na sklade: Rozkladajú látky nestráviteľné pre zvieratá a ľudí, napríklad celulózu, alebo toxické látky, napríklad sírovodík. Chytajú dusík zo vzduchu a dodávajú ním rastliny.
Začalo to sírovodíkom v olejovej nádrži
Nikto nevie, koľko druhov baktérií existuje, a väčšina z nich je pravdepodobne stále neobjavená. Pravdepodobne na svete neexistuje miesto, ktoré by jednej alebo druhej baktérii nebolo vyhovujúce. Jednobunkové organizmy kolonizujú pôdy, priekopy, čističky odpadových vôd, horúce hlbokomorské pramene a arktický morský ľad. Mnoho miliárd z týchto mikroskopických drobností sa povaľuje samotné v tele a na tele, v črevách alebo na koži. A to je dobre. Pretože mikróby odpudzujú nepriateľov a poskytujú nám životne dôležité látky.
Friedrich Widdel sa obzvlášť zaujíma o tých bakteriálnych odborníkov, ktorí sa zaobídu bez kyslíka - o „anaeróbov“, ktorí namiesto toho dýchajú z prostredia zlúčeniny síry alebo dusíka, aby dýchali. Vedec z Inštitútu morskej mikrobiológie Maxa Plancka v Brémach je obzvlášť nadšený z bakteriálnych kmeňov, ktoré môžu štiepiť ropu a cítiť sa ako doma v exotických biotopoch: pod ropnými podložkami na pláži alebo v bezkyslíkatom olejovitom sedimente na morskom dne.
Widdel dostal tému dávno, v roku 1982, keď ho kamarát inžinier previedol skladom ropy. Vyskytli sa problémy s nádržou na surový olej, odlučovačom, v ktorom je oddelená zmes oleja a vody z vrtov. V nádobách sa zhromažďoval toxický sírovodík, ktorý páchne ako skazené vajcia, žieravá látka, ktorá môže dokonca napádať oceľové rúry, „kyslý plyn“.
Sírovodík sa vyskytuje na mnohých ropných ložiskách. Vzniká tam chemickými reakciami pri veľmi vysokých teplotách hlboko pod zemou, čo bolo známe. Ale prečo sa sírovodík tvoril aj vo vlažnej nádrži, človek to nemohol dávať zmysel. Widdel si veľmi rýchlo uvedomil, že v nádrži bez obsahu kyslíka budú musieť pracovať anaeróbne baktérie, pretože sírovodík je typickým produktom rozkladu anaeróbneho metabolizmu. Čím by sa však mali živiť? Na začiatku 80. rokov sa stále verilo, že ropu rozkladajú iba „aeróbne“ baktérie spotrebúvajúce kyslík. Surová ropa pozostáva z uhľovodíkov, hlavne z takzvaných alkánov, dlhých reťazcov atómov uhlíka, ku ktorým sú viazané iba atómy vodíka. V metabolizme aeróbnych baktérií odbúravanie alkánov prebieha podobným spôsobom ako v motore automobilu. Dlhé reťaze sú roztrhané na kúsky a potom reagujú s kyslíkom - zostáva len oxid uhličitý a voda.
Olejové zložky sa štiepia aj bez vzduchu
Množstvo energie uvoľnenej pri reakcii s kyslíkom je obrovské. Preto s jedným litrom benzínu zájdete celkom ďaleko. A pre aeróbne baktérie je využitie alkánov s kyslíkom vyložene slávnostným jedlom. Ale pre anaeróby? V tom čase mnoho odborníkov predpokladalo, že využitie anaeróbneho alkánu je nemožné. Inak by baktérie zjedli tieto látky z ropných ložísk v priebehu miliónov rokov.
Ako sa ukázalo, táto hypotéza, aj keď bola prijateľná, bola nepravdivá. Friedrich Widdel vzal vodu so zvyškami oleja z nádrží do laboratória a vzduchotesne ju zabalil. Potom čakal. Naozaj. Vo fľaštičke so vzorkou sa pomaly, ale isto tvoril sírovodík, ktorý mohol vzniknúť iba z rozkladu surovej ropy so síranom sírovým. To, čo sa odohráva v metabolizme baktérií, sa podarilo dodnes pochopiť iba čiastočne. Widdel sa preto tiež snaží nájsť tie proteíny, ktoré sa podieľajú na rozklade.
Vyzerá to, akoby anaeróby najskôr predlžovali reťaze a potom ich rozoberali na kúsky, aby nakoniec mohli jednotlivé kúsky inhalovať. Namiesto kyslíka používajú anaeróby napríklad síran, ktorý sa v morskej vode vyskytuje v oveľa vyšších koncentráciách ako kyslík. Aj keď je kyslík už dávno spotrebovaný, ako v nádrži na odlučovač oleja, anaeróby majú stále k dispozícii trochu síranu. Ako konečný produkt reakcie síranu s alkánmi sa potom v baktériách vytvorí komplikovaný sled metabolických procesov sírovodík. Na potlačenie týchto a ďalších nežiaducich baktérií počas výroby oleja sa do vody, ktorá sa pri výrobe oleja čerpá do zásobníkov, pridávajú antibakteriálne látky.
Pre mnohých sa téza o anaeróbnej degradácii alkánov a olejov spočiatku javila ako príliš odvážna. Widdel musel svoje výsledky zálohovať, koniec koncov bolo mysliteľné, že kyslík mohol pomaly prenikať cez gumové zátky do tesne uzavretých bakteriálnych ciev. Pretože neexistuje nič také ako úplne nepriepustná guma alebo plast. „Naše vzorky oleja sme potom jednoducho zmenšili na malé sklenené ampulky,“ hovorí Widdel s úsmevom. Nemohlo to byť vzduchotesnejšie. A s ním uspel v konečnom dôkaze: Alkánové reťazce sa anaeróbne rozkladajú na oxid uhličitý, čím sa síran premení na sírovodík.!
Väčšina anaeróbov prosperuje pomaly
Prečo baktérie nezjedli prázdne usadeniny už milióny rokov, sa zatiaľ nedá skutočne vysvetliť. Je možné, že niektoré ropné nádrže sa veľmi zahriali, a preto sú dnes stále takmer sterilné. V iných prípadoch môžete veľmi dobre vidieť, že baktérie fungovali. Malí sú gurmáni. Zo zmesi stoviek rôznych alkánov v surovej nafte presne vyberú zlúčeniny, ktoré sú najlepšie stráviteľné, napríklad hexadekán, molekulárna štruktúra so 16 atómami uhlíka.
Chovné baktérie na kontrolu oleja?
Ak analyzujete takúto vzorku oleja pomocou plynového chromatografu, prístroja, ktorý dokáže presne detekovať stopy určitých látok, môžete vidieť, že niektoré alkány chýbajú. Skutočnosť, že surové oleje z rôznych ložísk majú odlišné vlastnosti a vlastnosti, môže byť čiastočne výsledkom anaeróbnej mletej práce.
Každý, kto pracuje s anaeróbmi, potrebuje trpezlivosť. Mnoho anaeróbov patrí medzi leňochy medzi mikroorganizmami. Rastú a množia sa spomalene. Nikto vlastne nevie, prečo to tak je. Známa laboratórna baktéria Escherichia coli ťažný kôň biotechnológov je však skutočný šprintér. Žije a pracuje s kyslíkom. Ak je to pohodlné, rozdelí sa to každých 20 minút. Z takejto bakteriálnej bunky vzniknú za desať hodín miliardy potomkov.
Baktérie Widdels nezačali rásť ani v rovnakom čase. Na rozdelenie umožňujú dni alebo dokonca týždne. „Žijú a pomaly zomierajú,“ tvrdí výskumník. Vďaka tomu je chov takýchto mikróbov sysifosom. Cieľom mikrobiológov je produkovať čisté bakteriálne kultúry s cieľom porozumieť ich funkcii. Avšak vo vzorke vody alebo sedimentu sa zvyčajne hemží mnoho rôznych bakteriálnych kmeňov. S cieľom nájsť presný bakteriálny kmeň v tejto mikroskopickej spleti, ktorý skutočne rozkladá olej, sa vzorka zriedi čoraz viac, až nakoniec - z čisto štatistického hľadiska - v laboratórnej nádobe pláva iba jedna baktéria.
Medzi tým sa však musia baktérie množiť znova a znova, aby vedci mohli skontrolovať, či je baktéria rozkladajúca olej stále v zriedenej vzorke. To si vyžaduje čas. Toľko času, že v prvých niekoľkých rokoch Widdel zriedka dokázal nasadiť doktoranda na svoje anaeróby rozkladajúce ropu. Séria riedenia bola dlho pre neho a jeho zamestnancov skôr prácou na čiastočný úväzok.
Sírovodík spôsobuje ďalšie problémy
Obyvatelia Brém medzitým izolovali niekoľko čistých kmeňov. Ale zatiaľ nenašli skutočne rýchle anaeróbne zariadenie. Vedec si je istý, že tieto baktérie sú preto nevhodné na čistenie po ropnej nehode. Ste príliš pomalý. Pri nehodách tankerov alebo haváriách, ako je tá v Mexickom zálive, unikli v priebehu niekoľkých dní tisíce ton ropy. Na druhej strane, ani svižní, aeróbni bratranci, spotrebúvajúci kyslík, sú spočiatku bezmocní. Príliv poháňa masy ropy a dechtu na breh, kde sa často tvoria zhluky tuku z olejovitého bahna a piesku. Baktérie Widdels sú nakoniec aktívne všade tam, kde je nedostatok kyslíka - napríklad pod pozemkami s čiernym olejom na pláži, ale tiež v priesakoch prírodného oleja na morskom dne alebo v ropných ložiskách.
Niekedy ropná nehoda dokonca vytvorí zóny chudobné na kyslík priamo vo vode, pretože aeróbni farmári načerpajúci zásadný kyslík z morskej vody. Na úplné odbúranie kvapky iba 0,2 mililitra oleja potrebujú aeróby kyslík až z 80 litrov vody. Aeróby čerpajú svoj vlastný elixír života z veľkého množstva ropy v životnom prostredí. Keď je kyslík konečne preč, anaeróby sa zapnú. Pomaly sa prerábajú na ropné komponenty.
Ak dôjde k hromadnému úniku oleja, môže na takýchto miestach nastať ďalší problém. Spotreba kyslíka a anaeróbna degradácia vytvárajú sírovodík, ktorý je toxický už pri nízkych koncentráciách. „Čím viac sa zaoberáte rôznymi aspektmi ťažby ropy, tým viac je zrejmé, že s cenným surovinovým olejom musíme narábať oveľa svedomitejšie a zodpovednejšie,“ hovorí Widdel. „Nehoda s ropou by sa mala týkať nás všetkých, koniec koncov, každý z nás používa ropu.“
Degradácia hrubých ropných hmôt pri absencii prísunu kyslíka trvá roky alebo dokonca desaťročia a stále bude pravdepodobne neúplná. Preto dlho po nehode možno hlboko v plážovom piesku nájsť zvyšky čierneho mastného oleja. Ale anaeróby majú čas. Už milióny rokov sa pomaly živia ropou, ktorá vždy prirodzene prenikla z nánosov do mora. Anaeróbne ropné prísady sa nachádzajú všade v morských sedimentoch obsahujúcich uhľovodíky, či už v bahne frízskeho prístavu alebo v kalifornskom zálive v západnom Mexiku.
V hĺbke asi 2 000 metrov stúpa horúca voda z trhlín v zemskej kôre do morského dna v morskej panve. Zvyšky mŕtvych rias sa dusia v horúčave a hromadne stekajú z povrchu mora. Tu výroba oleja prebieha rýchlym pohybom. Ropa sa zvyčajne tvorí hlboko pod morom pod stovkami metrov mohutných balíkov sedimentov, kde prevládajú vysoké teploty a obrovské tlaky. V takomto geologickom tlakovom hrnci sa z mŕtvej biomasy varia cukry bohaté na kyslík alebo mastné kyseliny, aby sa vytvorili uhľovodíky.
Niektoré mikroorganizmy rozkladajú ropu na metán
V teplom morskom dne Kalifornského zálivu však môžete zažiť tvorbu ropy len niekoľko metrov hlboko v morskom dne. Ešte predtým, ako v roku 1992 Friedrich Widdel prevzal vedenie oddelenia mikrobiológie na Inštitúte Maxa Plancka v Brémach, počas expedície k horúcim prameňom pri Kalifornii sa ponoril s ponorným oceánografickým ústavom „Alvin“ z Woods Hole v Massachusetts.
Najskôr vo svetle palubných svetiel uvidel iba sivý sediment. Potom sa zrazu objavili žltkastobiele škvrny, ložiská síry veľké ako palacinky - istý znak baktérií. „Ramenom robota sme prepichli zem a zrazu vo vodnom pohári vystúpili malé žltkasté kvapky oleja ako olivový olej,“ hovorí Widdel. Našiel tam zaujímavé anaeróby. Dnes ich pestuje niekoľko.
Jeho malí obyvatelia laboratória ho mnohokrát prekvapili. Vtedy, napríklad, keď zisťoval, či sa niečo stane s uhľovodíkmi s dlhým reťazcom aj bez pridania síranu. V procese sa skutočne vyvinuli úplne iné mikroorganizmy, ktoré štiepia uhľovodíky s dlhým reťazcom zo surovej ropy na metán, hlavnú zložku zemného plynu. Keď Friedrich Widdel kultivoval svoje anaeróbne mikróby v laboratóriu, bolo mu jasné, že tam, kde sa produkuje plyn, tlak rastie. Napriek tomu podcenil jednobunkové organizmy.
Jedného dňa, keď sa díval do inkubátora, praskla sklenená fľaša a jej obsah bol distribuovaný. Widdel si s trochou smútku spomína na stratu produktívnej bakteriálnej kultúry, ktorú pestoval dlho. Pri úplnom „mikrobiálnom splyňovaní alkánu“ sa môže objem zvýšiť niekoľkonásobne. Možno také baktérie prispievali k tvorbe plynu v ropných ložiskách.
Friedrich Widdel sa samozrejme nezaoberá iba baktériami, ktoré rozkladajú ropu. Pretože anaeróby majú oveľa viac čo ponúknuť. Na poličke jeho plodovej komory sú tesne uzavreté fľaše, v ktorých spočívajú kovové pásy. Plech je zdrojom potravy pre anaeróby, ktoré priamo využívajú kovové železo a korodujú. Widdel chce pochopiť problém biokorózie v železných potrubiach.
Témou uhľovodíkov je však určite téma, ktorej sa venuje najdlhšie. Friedrich Widdel pokračuje v hľadaní nových bakteriálnych kmeňov so zaujímavými vlastnosťami - vo vzorkách, ktoré sám odoberá zo sedimentu Waddenského mora, alebo v okuliaroch, ktoré mu kolegovia prinášajú z výskumných ciest. Predpokladá, že jedna alebo druhá baktéria ho prekvapí svojimi schopnosťami. Neverí len v jedinú vec: "Superbaktéria, ktorá v rekordnom čase zožiera ropné znečistenie. Existujú tiež prirodzené limity pre rýchlosť rozkladu a bakteriálny metabolizmus."
Anaeróby
Živé bytosti, ktoré na rozdiel od aeróbov metabolizujú bez kyslíka. Pre niektoré z nich je kyslík dokonca jedovatý.
Plynový chromatograf
Zariadenie, ktoré oddeľuje zmes látok. Zmes je vedená s nosným plynom cez jemnú trubicu dlhú 10 až 50 metrov, navinutú do špirály. Kapilárna trubica je vystlaná látkou, na ktorej látky zotrvávajú rôzne dlho v závislosti od ich polarity a tlaku pár. Podľa toho vychádzajú z potrubia po rôznych časoch.
Alkány
Zlúčeniny, ktoré pozostávajú z uhlíka a vodíka a neobsahujú dvojité väzby. Atómy uhlíka tvoria kostru z reťazca, ktorý môže byť tiež rozvetvený a uzavretý za vzniku kruhu. Na všetkých voľných väzbových miestach je atóm vodíka. Získavajú sa hlavne z ropy.
Zdroj:
MaxPlanckResearch - vedecký časopis spoločnosti Max Planck Society
Vydanie 3/2010, strany 78-83
Redaktor: Katedra tlače a styku s verejnosťou
Spoločnosť Maxa Plancka pre rozvoj vedy e.V.
Adresa redakcie: Hofgartenstrasse 8, 80539 Mníchov
Tel. 089/2108-1562, fax 089/2108-1405
E-mail: [email protected]
Časopis vo formáte PDF: www.magazin-dt.mpg.de
Brožúra je k dispozícii v nemčine a angličtine
(MaxPlanckResearch) každé so štyrmi číslami ročne.
Vedecký časopis je bezplatný.
uverejnené v spoločnosti Schattenblick k 31. decembru 2010