Взаимодействие микроорганизмов с металлами

Микроорганизмы способны накапливать в биомассе высокий уровень минеральных компонен­тов, значительно превышающий их физиологическую потребность.

Характер взаимодействия микроорганизмов с металлами, их устойчивость к высоким концентра­циям металлов в среде и возможный уровень накопления их в клетке зависят от физиолого-биохими­ческих свойств микроорганизмов, свойств металлов или их соединений (миграционных, сорбционных свойств, комплексообразующей способности и др.).

Повышение в питательной среде общей концентрации минеральных элементов в 50 раз по срав­нению с их потребностью для обеспечения оптимального роста приводит лишь к незначительному угнетению роста водородокисляющих микроорганизмов и к повышению уровня содержания в клетках микроэлементов на 20 % .

Почвенные грибы и дрожжи накапливают также радиоизотопы и трансурановые элементы. Коэффициенты накопления (отношение концентрации элемента в клетке к его концентрации в среде) радиоизотопов организмами могут составлять десятки сотен. Отдельные микроорганизмы способны накапливать в биомассе уран в количестве, превышающем его содержание в среде более чем в 300 раз, при этом они могут извлекать его из разбавленных растворов.

На поглощение металлов клеткой влияет конкуренция за извлекаемый металл между организ­мом и комплексующими агентами (органическими и неорганическими) из среды, а также между металлами. Так ионы Na⁺ и Mg²⁺ уменьшают сорбционную способность зеленых водорослей Chlorella vulgaris по отношению к цинку, но не влияют на степень концентрирования ими РЬ и Си. Экзогенные соединения серы в среде снижают потребление клетками селена.

Накопление металлов в клетке повышается под влиянием факторов, увеличивающих раствори­мость соединений металлов, например при повышении температуры.

В процессе накопления металлов важную роль играет устойчивость микроорганизмов к их при­сутствию в среде.

Ассимиляция металлов микроорганизмами осуществляется в несколько этапов. На первом, эта­пе происходит связывание металла с поверхностью клетки. Как правило, поверхностные структуры микробной клетки заряжены отрицательно, а ионы металлов положительно, что может являться одним из механизмов связывания металла с поверхностью клетки. Емкость и селективность клетки к сорбции металлов и радионуклидов определяется свойствами поверхностных структур клеток — природой полярных групп (карбоксильных и др.) и распределением заряда в макромолекулах кле­точной стенки. В сорбции металлов грибами участвует хитин, входящий в клеточную стенку. Кле­точные стенки водорослей содержат карбонильные, гидроксильные, сульфгидрильные, фосфорные группы макромолекул, которые определяют заряд клеточной стенки. В связывании ионов металлов могут участвовать капсулы микроорганизмов, состоящие, главным образом из полисахаридов. Внеклеточные полисахариды обычно обладают кислотными свойствами, что определяет возмож­ность их взаимодействия с катионами металлов. Металлы, связанные с поверхностью клеток, легко определяются хелатирующими агентами (ЭДТА и др.) и разбавленными кислотами.

Второй этап — это поступление металлов в клетку. Механизм поступления металлов зависит от физиологических особенностей микроорганизмов, их возраста, химических свойств, концентра­ции в среде металлов и радионуклидов, состава среды, pH, температуры, условий аэрации.

В клетки простейших твердые частицы металлов и их соединений могут поступать путем фаго­цитоза. В клетки бактерий и грибов ионы металлов поступают в основном путем активного тран­спорта через системы переноса, специфические для таких важных элементов питания, как Мп²⁺, Mg²⁺, Са²⁺; через системы переноса металлов, образующих комплексы со специфическими низко­молекулярными лигандами (так называемыми сидерофорами); а также путем транспорта ионов металлов, образующих комплексы с субстратами — носителями, в результате пассивной иммоби­лизации ионов металлов на клеточной стенке вследствие их связывания с заряженными группами. Некоторые микроорганизмы синтезируют химические соединения, обладающие высоким срод­ством к отдельным металлам.

Внутри клетки металлы могут связываться как специфическими белками, так и неспецифичес­кими, входить в состав липидов, нуклеиновых кислот, накапливаться в вакуолях. Основная масса поглощенных клеткой металлов (до 75 % и более) включается в белковые вещества клетки. Обна­руживаются металлы во фракциях клеточных стенок, мембран, в рибосомах и ядре.

Избыточные концентрации металлов в среде могут быть детоксицированы микробными клетка­ми. Детоксикация происходит различными путями: нейтрализация металлов в клеточной стенке, в разных органеллах или специфических депо; трансформация в менее токсичную форму, напри­мер перевод ртути в летучую форму Hg-Hg , окисление As-As , восстановление Сг-Сг и др.

Способность микроорганизмов к сорбции ионов металлов является основой для разработки ме­тодов биоконцентрации металлов из разбавленных растворов и суспензий, методов биологической очистки сточных вод рудных и других предприятий, а также биотехнологии получения биологи­чески активных добавок (БАД), обогащенных микроэлементами.

3.