Книга: Популярно о микробиологии

Глава 22 Дом, в котором мы живем

Глава 22

Дом, в котором мы живем

Еще несколько десятилетий назад сам термин «экология» был известен только специалистам. В наши дни статьи на тему защиты окружающей среды не сходят со страниц периодической печати. Почему это произошло?

Новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека. Правда, вначале влияние его деятельности на нее мало отличались от воздействия на биосферу других живых существ. Человек получал необходимую для жизни пищу, используя продукты растительного или животного происхождения. При этом неизбежно образовывались отходы, но химические элементы, входящие в их состав, с помощью микроорганизмов возвращались в круговорот веществ. Так продолжалось достаточно долго, и не возникло бы никаких экологических проблем, если бы не рост производительных сил развивающегося общества. Человека перестали удовлетворять набедренная повязка и кусок мяса. Он захотел большего. Тейяр де Шарден в книге «Феномен человека»^[6] пишет: «Теперь кроме хлеба, который символизировал в своей простоте пищу неолита, каждый человек ежедневно требует свою порцию электричества, нефти и радия, свою порцию открытий, кино и международных известий. Теперь уже не простое поле, как бы оно ни было велико, а вся Земля требуется, чтобы снабжать каждого из нас».

Освоив новые мощные источники энергии, человечество стало распоряжаться ими по своему усмотрению. Наличие энергии, с одной стороны, и развитие теории химического строения веществ — с другой, позволили синтезировать в больших количествах соединения, которые не включаются в круговорот веществ, а остаются вне действия биосферы как памятник человеческой бесхозяйственности. Но даже с этими «отходами», пока их было мало, людям удавалось справляться. Экологическая емкость Земли настолько велика, что до поры до времени они не оказывали серьезного влияния на ход природных процессов.

Однако по мере роста промышленного производства количество этих отходов увеличивалось и в конце концов в наши дни достигло такой величины, что игнорировать их существование человечество больше не может. Загрязнение окружающей среды уже оказывает негативное влияние на здоровье как минимум миллиарда жителей планеты. Конечно, можно попытаться организовать промышленное производство таким образом, чтобы оно по уровню замкнутости мало отличалось от природных циркуляций, т. е. технологически обеспечить полную утилизацию отходов. Иначе говоря, производство должно быть практически безотходным. Однако введение технологии с замкнутым циклом значительно удорожает промышленную продукцию.

Если же создать безотходное производство невозможно, нужно стремиться к тому, чтобы и его отходы, и сама продукция после использования были деградабельны, т. е. разрушались с такой же максимальной скоростью, с какой происходит деградация природных отходов. Теперь же в отдельных районах планеты, особенно в высокоразвитых промышленных странах, сложилось такое положение, при котором природа не способна «переварить» поступающие отходы производства и быта, что приводит к их накоплению и «загрязнению» ими окружающей среды.

К числу таких загрязнителей относят многочисленные, относительно безвредные для живой природы продукты в виде синтетических полимеров, которые накапливаются в почве и водоемах, однако никакого вредного воздействия на природу не оказывают, если, конечно, не считать, что какое-то количество углерода и других элементов изымается из кругооборота веществ. Примером таких загрязнителей могут служить различные пластмассы. Изделия из них легки, гигиеничны, прочны и устойчивы к действию влаги и температуры (разумеется, до определенных пределов). Пластмассы идут на изготовление сумок, контейнеров, всякого рода упаковок, словом, применяются буквально всюду. Казалось бы, вот пример вещества, которого в природе не существовало, но которое было создано на благо человеку. Но здесь есть, увы, и негативная сторона: в природных условиях пластмасса крайне плохо разлагается и выносится реками в океан. Масса гигантского мусорного «острова», находящегося в Тихом океане у западного побережья Северной Америки и состоящего в основном из пластика, составляет более 3,5 млн тонн, а площадь — более 1 млн квадратных километров. И все-таки пластмассы — безвредное в биологическом плане вещество. Худшим следствием его стойкости является реальная возможность в недалеком будущем проводить отпуск, загорая не на желтом кварцевом песке, а на обкатанных морскими волнами разноцветных песчинках полиэтилена. Кстати, на многих морских пляжах Атлантического побережья США уже появился такой «песок», и его доля по сравнению с обычным кварцевым продолжает возрастать. Однако с такого рода негативными явлениями еще можно мириться.

Значительно хуже обстоит дело, когда в природе накапливаются биологически активные вещества, в частности такие, как пресловутый ДДТ — очень эффективный продукт для борьбы с сорняками. Синтезированный в начале 1930-х гг., ДДТ многим казался блестящим решением многих проблем в растениеводстве, и его изобретение справедливо было отмечено Нобелевской премией. В США и других странах стали производить ДДТ сотнями тысяч тонн в год, используя как в сельском хозяйстве, так и в санитарии.

Однако никто не учел, что ДДТ накапливается в почве и через корни попадает в зеленую массу растений; растения поедаются животными, и в их тканях тоже накапливается ДДТ. Мясо животных вместе с растительной пищей поставляет ДДТ непосредственно к нашему столу. Когда производство и применение ДДТ превысило определенную величину, органы здравоохранения стали обнаруживать его сначала в растениях и продуктах питания, а затем и в тканях, и в органах животных и человека. К сожалению, ДДТ — не единственный продукт из обширной серии гербицидов, пестицидов и фитонцидов, широко применяемых в сельском хозяйстве. Следует отметить, что из 800 000 промышленных химикалий, которые начали выпускать с 1940 г., проверены на токсичность только 100 000. И многие из тех, которые сегодня мы считаем безвредными, завтра, когда их концентрация в биосфере достигнет некоей «пороговой» величины, тоже могут оказаться опаснейшими загрязнителями.

Создав мощное промышленное производство, мы настолько засорили продукцией и его отходами окружающую среду, что борьба с ними стала одной из серьезнейших проблем, когда-либо стоявших перед человечеством.

Люди вмешались в естественный кругооборот веществ в одностороннем порядке, уделив максимальное внимание синтезу новых веществ и соединений и совершенно не заботясь о его обратной стороне, второй составляющей кругооборота — о деградации. Думалось, если мы смогли синтезировать продукты, неужели же не сможем их разрушить? Оказалось, разрушение представляет собой не менее сложную задачу, чем синтез. Химические способы деструкции требуют больших энергетических затрат. Природа пошла по другому пути, взяв на вооружение ферментативные способы разрушения. Она постоянно осуществляет разложение многих веществ почти до исходных элементов. Место огромных промышленных комплексов по переработке отходов в природе занимают микроорганизмы, вернее, их ферментные системы.

Рассмотрим простой пример с клетчаткой. Известно, что клетчатка, или целлюлоза, состоит из остатков сахаров, и если измельчить ее механически до размеров составляющих ее молекул, то в конце концов можно получить сахара. Однако эффективность такого механического способа разрушения крайне мала. При этом нет гарантий, что во время этого процесса будут образованы молекулы сахаров, а не их обломки. Ферментативный гидролиз позволяет провести разложение строго по химическим связям с образованием сахаров-мономеров. Именно эту реакцию проводят, в частности, микроорганизмы в желудке жвачных, позволяя им использовать клетчатку и другие природные полимеры углеводов для своих энергетических нужд.

О том, насколько эффективно микроорганизмы проводят гидролиз целлюлозы, можно судить по тому, что промышленное получение сахаров из растительного сырья стало возможным только после внедрения значительно более эффективных и менее энергоемких ферментативных методов гидролиза клетчатки.

Уже найдены штаммы микроорганизмов, способные проводить многостадийный гидролиз в один этап. Так, выделенный со дна моря штамм Sulfolibus salfataricus содержит фермент целлюлазу, который способен проводить гидролиз целлюлозы в кислой среде.

Создав нужные условия микроорганизмам и поставив себе на службу их ферментативный аппарат, можно адаптировать его к различного рода субстратам, даже к тем, которые еще недавно считались недеградабельными.

Так, устойчивость пестицидов к разложению очень велика: период их полураспада составляет около 10 000 лет. Ферменты микроорганизмов ускоряют процесс разложения в миллионы раз!

Говоря о глобальном отравлении окружающей среды вредными веществами, нельзя не остановиться на проблеме, связанной с загрязнением нефтью многих морей и окраинных районов океана. Рост потребления нефти ведет к ее неизбежным потерям в процессе перевозок, уровень которых достигает 1 млрд тонн! Даже 1 % потерь приведет к ежегодному загрязнению вод морей и океанов 10 млн тонн нефти. И это только планируемое загрязнение! В целом его уровень значительно выше. Только в Средиземное море ежегодно сливается из танкеров 350 000 тонн нефти, и еще 115 000 тонн нефтяных отходов приходится на долю прибрежных нефтеперерабатывающих заводов. Неудивительно, что и в океане появляются загрязненные участки.

Тур Хейердал писал после своего знаменитого путешествия через Тихий океан: «Океан покрыт пятнами нефти». А аварии на танкерах или на нефтепромыслах, расположенных непосредственно в море?! Иногда утечка из поврежденного супертанкера превращается в национальное бедствие для страны, у берегов которой произошла авария! После катастрофы либерийского танкера «Торри-Каньон» в море попало 120 000 тонн нефти. 30 000 тонн двигались на французское побережье. Были испытаны различные физические методы очистки воды: наилучшим оказался способ с применением мела. Нефть свернулась в шары величиной с футбольный мяч и в таком виде осела на дно. Но через два года они всплыли и снова образовали пленку на поверхности воды.

Такая пленка приносит ни с чем не сравнимый вред, прежде всего, препятствуя обмену между воздушной и водной средой. Резко изменяется концентрация входящего в состав воды кислорода, который является важнейшим фактором, необходимым для существования многих морских организмов. Сокращается поглощение из воздуха углекислого газа, что препятствует фотосинтезу. Здесь следует вспомнить, что 90 % кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза, производится водными фотосинтезирующими организмами. Гибнет огромное количество морских птиц, разрушаются сложившиеся экологические системы, что чревато весьма неприятными последствиями.

Загрязнение нефтью представляет собой такую серьезную угрозу, что в качестве превентивной меры в некоторых штатах США до сих пор запрещено бурение богатого нефтью континентального шельфа.

Не следует, однако, считать, что загрязнение нефтепродуктами происходит только при морских перевозках. Аварии на буровых скважинах, нефтепроводах, нефтеперерабатывающих заводах и даже на автозаправочных станциях — вот далеко не полный перечень мест, где возможны загрязнения. К сожалению, они не только возможны, но и происходят, заражая не только почву, но и выращиваемые на ней растения и, соответственно, получаемые из них пищевые продукты.

Поиски средств защиты от нефтяных загрязнений привели к методам с использованием микроорганизмов. Пионерские исследования В. О. Таусона показали, что существуют микробы, способные разлагать некоторые компоненты нефти.

В дальнейшем было выделено и описано большое количество бактерий, дрожжей и грибов, окисляющих один или несколько углеводородов — составных компонентов нефти. Согласно современным представлениям эти микроорганизмы являются единственным компонентом водных экосистем, способным разрушать углеводороды нефти и вводить продукты их распада в естественный кругооборот органических веществ. Очевидно, что, используя эти микроорганизмы, трудно добиться полной деградации нефти. Можно, конечно, попытаться подобрать комплексные культуры микроорганизмов, каждая из которых была бы способна разложить один из компонентов нефти, и таким образом всю ее утилизировать. Однако чрезвычайно трудно подобрать оптимальные условия для всех культур, входящих в такой комплекс. Значительно более перспективным представляется искусственное создание культур, совмещающих в своей наследственной природе способность утилизировать все составные компоненты нефти, начиная от легких углеводородов и кончая тяжелыми фракциями, включая мазут. И это не фантастика, такие культуры уже созданы!

Помимо генно-инженерных штаммов для борьбы с нефтяными загрязнениями успешно используются и природные микроорганизмы. Когда после аварии танкера у берегов Аляски на берег вынесло 1500 кубометров нефти, было необходимо провести очистку береговой полосы длиной более полутора тысяч километров. Для решения этой задачи использовали природные микроорганизмы, а чтобы их активировать, внесли азотные удобрения, что в 3–5 раз ускорило разложение нефти.

Природные микроорганизмы участвуют в разложении углеводородов, просачивающихся через трещины на дне озера Байкал. Ежегодно в него поступает около четырех тонн нефти, но благодаря микроорганизмам она разлагается, и вода в озере остается чистой.

Микроорганизмы способны превращать или, как говорят микробиологи, метаболизировать не только вещества органической, но и неорганической природы, в частности ртуть. Ее токсические свойства известны веками, но лишь недавно она стала обнаруживаться в организмах диких птиц и рыбы, что указывает на широкое распространение ртути в экологических системах. Трагические последствия, к которым приводит загрязнение этим жидким металлом, заставили начать поиски эффективных способов уменьшения его концентрации в экосистемах. Выяснилось, в частности, что соединения ртути могут быть разрушены штаммами микроорганизмов, созданными искусственно методами генетической инженерии.

Микроорганизмы также могут быть использованы для очистки окружающей среды от радиоактивного заражения. Так, генно-инженерный штамм бактерии Shewanella oneidensis не только превращает растворимые в воде ионы урана (U⁺⁶) в компактные наночастицы окисла урана, но и продуцирует полимерную клейкую слизь, способствующую их адсорбции.

Уникальная способность микроорганизмов расщеплять природные и искусственные субстраты позволяет использовать их для ликвидации тех неувязок в кругообороте веществ, которые вызваны деятельностью человека.

Микроорганизмы как бы позволяют воссоединить в единую цепь те отдельные разрозненные звенья, на которые человек для удовлетворения своих потребностей разъединил экологически единый цикл круговорота веществ на Земле.