SCHATTENBLICK - RESEARCH 387 Protozoare pe dieta cu ulei (MaxPlanckResearch)
MaxPlanckResearch - Revista științifică a societății Max Planck 3/2010
Organisme unicelulare care urmează o dietă cu ulei
De Tim Schröder
Bacteriile pot trăi din aproape orice, unele chiar din ulei. Friedrich Widdel, Director pe Institutul Max Planck pentru Microbiologie Marină, cercetează microbii care descompun hidrocarburile petroliere adânci în sediment fără oxigen. Ar putea ajuta la accidentele petroliere?
Bacteriile au ajuns atât de departe când vine vorba de frumusețe ", spune Friedrich Widdel și pune pe masă câteva fotografii alb-negru. Una prezintă o grămadă de linii subțiri negre, alta prezintă mici pete gri. Bacteriile apar în exterior Nu cu mult mai mult decât roi abstract. Cu toate acestea, sunt atât de interesante pentru Widdel încât le cercetează de mai bine de 30 de ani. "Metabolismul lor este absolut fascinant. Bacteriile pot face lucruri pe care nici o ființă vie superioară nu le poate face ".
Într-adevăr, unele dintre ele au foarte multe în depozite: descompun substanțe care sunt nedigerabile pentru animale și oameni, cum ar fi celuloza, sau toxice, cum ar fi hidrogenul sulfurat. Prind azot din aer și alimentează plantele cu acesta.
A început cu hidrogen sulfurat într-un rezervor de ulei
Nimeni nu știe câte tipuri de bacterii există, iar cele mai multe dintre ele sunt probabil încă nedescoperite. Probabil că nu există niciun loc în lume cu care una sau cealaltă bacterie să nu se simtă confortabil. Organismele unicelulare colonizează soluri, tranșee, stații de epurare, izvoare calde de adâncime și gheață marină arctică. Multe miliarde dintre aceste lucruri mici microscopice se descurcă singure în corpul nostru și în corpul nostru, în intestine sau pe piele. Și asta e bine. Deoarece microbii resping inamicii și ne furnizează substanțe vitale.
Friedrich Widdel este interesat în special de acei specialiști în bacterii care se descurcă fără oxigen - „anaerobii” care, în schimb, extrag compuși de sulf sau azot din mediu pentru a respira. Cercetătorul de la Institutul Max Planck pentru Microbiologie Marină din Bremen este deosebit de entuziasmat de tulpinile bacteriene care pot descompune uleiul și se pot simți bine în habitate exotice: sub covorașe de ulei pe plajă sau în sedimente uleioase fără oxigen pe fundul mării.
Widdel a primit subiectul cu mult timp în urmă, în 1982, când un prieten inginer l-a condus printr-un depozit de petrol. Au existat probleme cu un rezervor de țiței, un separator în care amestecul de ulei-apă din găuri este separat. Hidrogenul sulfurat toxic, care miroase a ouă stricate, colectase în recipiente, o substanță corozivă care poate ataca chiar și țevile de oțel, „gazul acru”.
Sulfura de hidrogen apare în multe depozite de ulei. Este creat acolo de reacții chimice la temperaturi foarte ridicate adânci în subteran, ceea ce se știa. Dar de ce s-a format și sulfura de hidrogen în rezervorul călduț, nu s-ar putea da sens. Widdel a realizat destul de repede că bacteriile anaerobe ar trebui să funcționeze în rezervorul fără oxigen, deoarece hidrogenul sulfurat este un produs tipic de descompunere a metabolismului anaerob. Dar cu ce ar trebui să se hrănească? La începutul anilor 1980, se credea încă că țițeiul era defalcat doar de bacterii „aerobe” care consumă oxigen. Petrolul brut este format din hidrocarburi, în principal din așa-numiții alcani, lanțuri lungi de atomi de carbon de care sunt atașați numai atomi de hidrogen. În metabolismul bacteriilor aerobe, defalcarea alcanilor are loc într-un mod similar cu cel din motorul mașinii. Lanțurile lungi sunt rupte în bucăți și apoi reacționează cu oxigenul - nu mai rămâne decât dioxid de carbon și apă.
Componentele uleiului sunt defalcate chiar și fără aer
Cantitățile de energie eliberate atunci când reacționează cu oxigenul sunt imense. De aceea, puteți merge destul de departe cu un litru de benzină. Iar pentru bacteriile aerobe, utilizarea alcanilor cu oxigen este o masă de-a dreptul festivă. Dar pentru anaerobi? La acea vreme, mulți experți au presupus că utilizarea alcanului anaerob era imposibilă. Altfel, bacteriile ar fi consumat aceste substanțe din depozitele de petrol pe parcursul a milioane de ani.
După cum sa dovedit, această ipoteză, deși plauzibilă, era falsă. Friedrich Widdel a dus apa cu reziduuri de ulei din rezervoare la laborator și a ambalat-o ermetic. Apoi a așteptat. Intr-adevar. Încet, dar sigur, s-a format hidrogen sulfurat în flaconul de probă și acest lucru ar fi putut proveni numai din defalcarea țițeiului cu compusul sulfat sulfat. Ceea ce are loc în metabolismul bacteriilor a fost doar parțial înțeles până în prezent. Prin urmare, Widdel încearcă să găsească acele proteine care sunt implicate în defalcare.
Se pare că anaerobii prelungesc mai întâi lanțurile și apoi le demontează în bucăți pentru a inhala bucățile una câte una. În loc de oxigen, anaerobii folosesc, de exemplu, sulfat, care apare în apa de mare în concentrații mult mai mari decât oxigenul. Chiar dacă oxigenul a fost consumat mult timp, ca în rezervorul separator de ulei, anaerobii au încă ceva sulfat disponibil. Ca produs final al reacției sulfatului cu alcanii, hidrogenul sulfurat este apoi format în bacterii printr-o succesiune complicată de procese metabolice. Pentru a suprima astfel de bacterii și alte bacterii nedorite în timpul producției de ulei, se adaugă substanțe antibacteriene în apa care este pompată în rezervoare în timpul producției de ulei.
Pentru mulți, teza degradării alcanului anaerob și a uleiului părea inițial prea îndrăzneață. Widdel a trebuit să-și susțină rezultatele, la urma urmei, era de conceput că oxigenul ar fi putut pătrunde încet prin dopurile de cauciuc în vasele bacteriene bine sigilate. Pentru că nu există cauciuc sau plastic complet impermeabil. „Ne-am micșorat apoi probele de ulei în fiole mici de sticlă”, spune Widdel zâmbind. Nu putea fi mai etanș. Și odată cu el a reușit să demonstreze final: lanțurile alcanice sunt descompuse anaerob în dioxid de carbon, prin care sulfatul este transformat în hidrogen sulfurat.!
Majoritatea anaerobilor se dezvoltă lent
De ce bacteriile nu au consumat depozitele goale în milioane de ani nu se poate explica cu adevărat până acum. Este posibil ca unele rezervoare de petrol să se încălzească foarte mult și, prin urmare, să fie și astăzi aproape sterile. În alte cazuri, puteți vedea foarte clar că bacteriile funcționau. Cei mici sunt gurmanzi. Din amestecul a sute de alcani diferiți în țiței, aceștia aleg tocmai acei compuși care sunt cel mai bine digerabili, de exemplu hexadecan, o structură moleculară cu 16 atomi de carbon.
Cresterea bacteriilor pentru controlul uleiului?
Dacă analizați o astfel de probă de ulei cu ajutorul unui cromatograf de gaze, un aparat care poate detecta cu precizie urmele anumitor substanțe, puteți vedea că lipsesc unii alcani. Faptul că țițeiurile din diferite zăcăminte au proprietăți și calități diferite poate fi parțial rezultatul muncii anaerobe.
Oricine lucrează cu anaerobi are nevoie de răbdare. Multe anaerobe aparțin leneșului dintre microorganisme. Ele cresc și se înmulțesc cu mișcarea lentă. Nimeni nu știe cu adevărat de ce este asta. Cunoscuta bacterie de laborator Escherichia coli cu toate acestea, calul de lucru al biotehnologilor este un adevărat sprinter. Trăiește și funcționează cu oxigen. Dacă este confortabil, se împarte la fiecare 20 de minute. Miliardele de descendenți provin dintr-o astfel de celulă bacteriană în zece ore.
Bacteriile Widdels nici măcar nu au început să crească în același timp. Permit zile sau chiar săptămâni pentru o divizie. „Trăiesc și mor încet”, spune cercetătorul. Acest lucru face ca reproducerea unor astfel de microbi să fie o funcție sysiphos. Scopul microbiologilor este de a produce culturi bacteriene pure pentru a le înțelege funcția. Cu toate acestea, într-un eșantion de apă sau sedimente, multe tulpini bacteriene diferite sunt de obicei pline una de alta. Pentru a găsi exact tulpina bacteriană în acest încurcătură microscopic care de fapt descompune uleiul, proba este diluată din ce în ce mai mult până când în cele din urmă - dintr-un punct de vedere pur statistic - o singură bacterie plutește în vasul de laborator.
Între timp, însă, bacteriile trebuie să se înmulțească din nou și din nou, astfel încât cercetătorii să poată verifica dacă bacteria care degradează uleiul se află încă în proba diluată. Asta necesită timp. Atât de mult timp, încât în primii câțiva ani Widdel a reușit rareori să pună un doctorand pe anaerobii săi care degradează petrolul. Pentru o lungă perioadă de timp, seria de diluare a fost mai mult un loc de muncă cu jumătate de normă pentru el și angajații săi.
Sulfura de hidrogen creează probleme suplimentare
Între timp, oamenii din Bremen au izolat o serie de triburi pure. Dar nu au găsit încă un anaerob cu adevărat alert. Cercetătorul este sigur că aceste bacterii nu sunt, prin urmare, adecvate pentru curățarea după un accident de petrol. Ești prea lent. În accidente petroliere sau accidente precum cel din Golful Mexic, mii de tone de țiței se scurg în câteva zile. Pe de altă parte, chiar și verii agili, aerobi, care consumă oxigen sunt inițial neputincioși. Mareea conduce masele de petrol și gudron la uscat, unde se formează adesea grămezi de nămol uleios și nisip. Bacteriile Widdels sunt active în cele din urmă oriunde oxigenul este rar - sub pachetele negre de petrol de pe plajă, de exemplu, dar și în scurgerile naturale de ulei pe fundul mării sau în depozitele de petrol.
Uneori, un accident petrolier creează chiar și zone sărace în oxigen direct în apă, deoarece fermierii de petrol aerobic extrag oxigen vital din apa de mare. Pentru a descompune complet o picătură de numai 0,2 mililitri de ulei, aerobii au nevoie de oxigen de până la 80 de litri de apă. Aerobii își scot propriul elixir de viață din cantități mari de ulei din mediu. Când oxigenul a dispărut, anaerobii se aprind. Se transformă încet în componente uleioase.
Dacă uleiul se scurge în masă, poate exista o problemă suplimentară în astfel de locuri. Consumul de oxigen și degradarea anaerobă produc hidrogen sulfurat, care este toxic chiar și în concentrații scăzute. „Cu cât vă ocupați mai mult de diferitele aspecte ale mineritului petrolier, cu atât devine mai clar că trebuie să ne ocupăm de valorosul ulei de materie primă mult mai conștient și responsabil”, spune Widdel. „Un accident petrolier ar trebui să ne preocupe pe toți, la urma urmei, fiecare dintre noi folosește petrol”.
Degradarea masei groase de țiței atunci când există o cantitate insuficientă de oxigen durează ani sau chiar decenii și este probabil să rămână incompletă. Prin urmare, mult timp după un accident, reziduurile de ulei gras negru pot fi găsite adânc în nisipul plajei. Dar anaerobii au timp. De milioane de ani se hrănesc încet cu petrol, care a pătruns întotdeauna în mod natural din depozitele în mare. Constructorii de petrol anaerob pot fi găsiți peste tot în sedimentele marine care conțin hidrocarburi, fie că se află în nămolul unui port de agrement din Frizia sau în Golful California din vestul Mexicului.
La o adâncime de aproximativ 2000 de metri, apa fierbinte se ridică din fisurile din scoarța terestră în fundul mării într-un bazin marin. Rămășițele algelor moarte se fierb în căldură, căzând în masă de pe suprafața mării. Aici producția de petrol are loc în mișcare rapidă. Petrolul se formează de obicei adânc sub mare sub sute de metri de pachete puternice de sedimente, unde predomină temperaturile ridicate și presiunile extraordinare. Într-o astfel de oală sub presiune geologică, zaharurile bogate în oxigen sau acizii grași sunt fierți din biomasa moartă pentru a forma hidrocarburi.
Unele microorganisme descompun petrolul în metan
Cu toate acestea, pe fundul mării calde din Golful California puteți experimenta formarea de petrol la doar câțiva metri adâncime în fundul mării. Chiar înainte ca Friedrich Widdel să preia conducerea departamentului de microbiologie de la Institutul Max Planck din Bremen în 1992, se scufundase cu „Alvin” submersibil al Instituției Oceanografice Woods Hole din Massachusetts în timpul unei expediții la izvoarele termale din California.
La început, a văzut doar sedimente gri în lumina farurilor de la bord. Apoi au apărut brusc pete de culoare alb-gălbuie, depozite de sulf de dimensiuni clătite - un semn sigur de bacterii. „Am înjunghiat pământul cu brațul robotului și brusc picături de ulei gălbui s-au ridicat ca uleiul de măsline într-un pahar cu apă”, spune Widdel. A găsit anaerobi interesanți acolo. Astăzi cultivă mai multe.
Micii săi rezidenți ai laboratorului l-au surprins de multe ori. Pe atunci, de exemplu, când investiga dacă se va întâmpla ceva cu hidrocarburile cu lanț lung chiar și fără adăugarea de sulfat. În acest proces, s-au dezvoltat de fapt microorganisme complet diferite care descompun hidrocarburile cu lanț lung de la țiței la metan, principala componentă a gazelor naturale. Când Friedrich Widdel și-a cultivat microbii anaerobi în laborator, i-a fost clar că presiunea crește acolo unde se produce gaz. Cu toate acestea, el a subestimat organismele unicelulare.
Într-o zi, când se uita în incubator, o sticlă de sticlă izbucnise și conținutul ei fusese distribuit. Widdel își amintește încă cu puțină tristețe pierderea unei culturi bacteriene productive pe care o cultivase de mult timp. Cu o „gazificare alcanică microbiană” completă, volumul poate crește de câteva sute de ori. Poate că astfel de bacterii au contribuit la gazul din rezervoarele de petrol.
Desigur, Friedrich Widdel nu se preocupă doar de bacteriile care degradează petrolul. Pentru că anaerobii au mult mai multe de oferit. Pe raftul camerei sale de puiet există sticle bine închise în care se țin benzi metalice. Tabla este sursa de hrană pentru anaerobi, care utilizează direct fierul metalic și se corodează. Widdel vrea să înțeleagă problema biocoroziunii în conductele de fier.
Cu toate acestea, subiectul hidrocarburilor este cu siguranță unul cu care s-a preocupat cel mai mult timp. Friedrich Widdel continuă să caute noi tulpini bacteriene cu proprietăți interesante - în probe pe care el însuși le ia din sedimentul Mării Wadden sau în pahare pe care colegii i le aduc din călătorii de cercetare. El presupune că una sau alta bacterie îl va surprinde cu capacitățile sale. Există un singur lucru în care nu crede: "Super bacteria care mănâncă poluarea cu ulei în timp record. Pentru că există limite naturale ale ratei de descompunere și a metabolismului bacterian".
Anaerobi
Ființe vii care, spre deosebire de aerobi, se metabolizează fără oxigen. Pentru unii dintre ei, oxigenul este chiar otrăvitor.
Cromatograf gazos
Dispozitiv care separă un amestec de substanțe. Amestecul este trimis cu un gaz purtător printr-un tub fin, lung de 10 până la 50 de metri, înfășurat într-o bobină. Tubul capilar este căptușit cu o substanță pe care substanțele persistă în momente diferite, în funcție de polaritatea și presiunea lor de vapori. În consecință, ei ies din țeavă după momente diferite.
Alcani
Compuși care constau din carbon și hidrogen și nu conțin duble legături. Atomii de carbon formează un cadru dintr-un lanț, care poate fi, de asemenea, ramificat și închis pentru a forma un inel. Un atom de hidrogen se află la toate locurile de legare libere. Se obțin în principal din petrol.
Sursă:
MaxPlanckResearch - revista științifică a Societății Max Planck
Ediția 3/2010, paginile 78-83
Editor: Departamentul pentru presă și relații publice al
Societatea Max Planck pentru avansarea științei e.V.
Adresa editorială: Hofgartenstrasse 8, 80539 München
Tel. 089/2108-1562, Fax 089/2108-1405
E-mail: [email protected]
Revista în format PDF: www.magazin-dt.mpg.de
Broșura apare în germană și engleză
(MaxPlanckResearch) fiecare cu patru numere pe an.
Revista științifică este gratuită.
publicat în Schattenblick începând cu 31 decembrie 2010