Praca zespołowa przeciwko szkodliwemu benzenowi

Naukowcom z Helmholtz Centre for Environmental Research udało się odkryć w jaki sposób bakterie zwalczają tak szkodliwą substancję jaką jest benzen. Okazuje się, że są one tak skuteczne dzięki swojej pracy zespołowej. Na terenie byłego zakładu uwodorniania Zeit w Saksonii-Anhalt do dziś można znaleźć ślady pozostałych tam chemikaliów.

Wśród nich znajduje się również benzen, który przedostaje się do środowiska głównie na skutek wypadków chemicznych, ale pojawia się także w okolicach rafinerii, magazynów z różnego rodzaju zbiornikami chemicznymi, stacji benzynowych oraz często uczęszczanych dróg.

Na terenie zakładów Zeit pojawił się, kiedy zostały one przekształcone w centrum obróbki węgla i ropy naftowej. Substancja ta nie jest jednak wyłącznie problemem byłego NRD.

Do jednego z najnowszych przypadków skażenia spowodowanego benzenem doszło w Chinach, kiedy to w 2005 roku około 100 ton substancji dostało się do rzeki Songhua, co spowodowało powstanie toksycznej chmury o długości 80 km, która dotarła do kilkumilionowego miasta Harbin. Skutkiem tego wypadku było przerwanie dostaw wody pitnej dla miasta.

Benzen nie jest jednak substancją nie do pokonania. W naturze występują bakterie, które potrafią go neutralizować. Jeśli dostarczona jest odpowiednia ilość tlenu, proces ten trwa relatywnie krótko.

Niestety, kiedy substancja wsiąknie głęboko w ziemię, ilość dostępnego w głębszych warstwach gleby tlenu spada, czasem nawet do zera. Wiemy, że rozkład benzenu zachodzi nawet pomimo braku odpowiedniej ilości powietrza, niemniej jednak do tej pory naukowcy nie potrafili odpowiedzieć na pytanie w jaki sposób się on odbywa.

Dzięki eksperymentowi, jaki przeprowadzili wspólnie badacze z wielu departamentów, po raz pierwszy udało się szczegółowo zobrazować proces eliminacji benzenu ze środowiska.

„Nie chodziło o zidentyfikowanie każdego pojedynczego rodzaju bakterii biorącego udział w procesie” – tłumaczy Martin von Bergen. „Bakterie to gracze zespołowi” – dodaje.

Dlatego też naukowcy skupili się na określeniu jakie grupy bakterii biorą udział w degradacji benzenu, ponieważ mówienie o konkretnych typach w mikrobiologii jest problematyczne nawet dla ekspertów.

Na potrzeby swoich badań naukowcy pobrali próbki z wód podziemnych wypływających z terenu Zeit. Białka znalezionych tam mikroorganizmów zostały poddane analizie izotopowej, która polega na analizie występowania dwóch wyjątkowo stabilnych w przyrodzie izotopów węgla – lżejszego i występującego częściej C12 i cięższego C13.

Naukowcy „zaoferowali” bakteriom cząsteczki benzenu, w których zwiększono ilość C13. Następnie zbadali oni w jakim stopniu drobnoustroje włączyły ten izotop do swoich białek, co udało im się ustalić dzięki analizie fragmentów białek za pomocą spektrometru masowego.

Wyniki badań pozwoliły naukowcom podzielić neutralizujące benzen bakterie na trzy grupy, z których każda wykonuje inne zadanie. Udało im się to, dzięki analizie zawartości izotopu C13 jako funkcji czasu.

Pierwsza grupa bakterii to organizmy, u których poziom izotopu wzrósł niemal natychmiastowo, a następnie praktycznie się nie podnosił. Są to mikroorganizmy, które bezpośrednio żywią się substancją.

U kolejnej grupy badacze zauważyli wzrost poziomu C13 w białkach po dłuższym okresie, co oznacza, że bakterie te nie żywią się bezpośrednio benzenem, ale produktami jego degradacji.

W trzeciej, ostatniej grupie organizmów poziom cięższego izotopu węgla nie zmienił się w czasie całego eksperymentu. Są to najprawdopodobniej padlinożercy, którzy żywią się szczątkami pozostałych bakterii.

„Udało nam się prześledzić drogę atomów benzenu poprzez całą społeczność bakterii” – zauważa z dumą dr von Bergen.

Badaczom udało się nie tylko określić, czym i w jakich ilościach żywią się poszczególne grupy bakterii, ale także odpowiedzieć na pytanie jak wygląda współpraca pomiędzy różnymi „teamami”.

Tak więc, bakterie bezpośrednio żywiące się benzenem w procesie trawienia najprawdopodobniej produkują etyl i wodór, które muszą usunąć ze swoich organizmów, gdyż zaburzyłyby one ich metabolizm. Tu z pomocą przychodzi druga grupa mikroorganizmów, która wykorzystują etyl jako źródło węgla i eliminują wodór.

„Taka współpraca ma oczywiście miejsce nie tylko w przypadku bakterii eliminujących benzen” – zauważa von Bergen. Ma on nadzieję, że korzystając z opracowanej przez siebie metody, on i jego koledzy będą mogli wkrótce przeanalizować inne złożone społeczności bakterii.

Wyniki takich analiz mogą okazać się przydatne w rozwoju medycyny. Nie od dziś wiadomo, że kultury bakterii mają istotne znaczenie dla systemu immunologicznego, jak również to, że w układzie trawiennym osób szczupłych występują inne mikroorganizmy niż u osób otyłych.

Być może wyniki badań nad schematami działania bakterii okażą się przydatne w walce z otyłością czy też we wzmacnianiu naturalnego systemu odpornościowego.

„Kultury bakterii występują wszędzie, od środowiska doniczki kwiatowej do wnętrza ludzkiego ciała” – podsumowuje dr von Bergen.