Удивительные свойства анаммокс-бактерий, способных поглощать ионы аммония и нитрита, превращая их в безвредный молекулярный азот, уже более 10 лет успешно используются для биоочистки – это и сточные воды животноводческих, сельскохозяйственных, коммунальных комплексов, и фильтраты полигонов ТКО, иловые воды, стоки пищевой промышленности. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН с коллегами из ИФХЭ РАН открыли четыре новых анаммокс-бактерий в холодных подземных водах вблизи поверхностных хранилищ урановых шламов в Удмуртии. Уникальные свойства новых микроорганизмов, которые можно будет использовать для промышленных нужд, подробно описаны в статье в Journal of Environmental Management.
Один из ключевых микробных процессов в круговороте азота – окисление аммония нитритом в бескислородной среде, так называемый «анаммокс». Процесс анаммокс широко распространен в природе. В результате его действия образуется большая часть атмосферного азота, а в морских экосистемах – почти половина от общего объема производства молекулярного азота в океане.
Бактерии, осуществляющие этот процесс, были открыты в самом конце XX века и вскоре стали применяться в промышленных системах очистки сточных вод от азотного загрязнения — при очистке фильтрационных вод полигонов твердых коммунальных отходов, иловой воды метантенков, стоков пищевой промышленности и других.
Сейчас известно более 22 видов анаммокс-бактерий. Они были обнаружены как в природной среде обитания (пресноводные водоемы, моря, горячие источники), так и в антропогенных местообитаниях (сооружения очистки сточных вод).
До недавнего времени считалось, что в подземных местообитаниях анаммокс-бактерии не играют существенной роли, их численность и разнообразие низки. Однако последние исследования показывают, что сообщество анаммокс-микроорганизмов, обитающих в грунтовых водах, например, в загрязненных интенсивным сельским хозяйством или богатых такими опасными соединениями, как мышьяк, разнообразны. И большинство из них являются новыми видами, мало похожими на ранее описанные.
Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с научными сотрудниками института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН исследовали микробное сообщество в экосистеме подземных вод с высоким уровнем антропогенного загрязнения азотом (нитратом и аммонием) и низкой круглогодичной температурой (7-8 °C).
Исследование проводилось вблизи поверхностного хранилища радиоактивных отходов Чепецкого механического завода (г. Глазов, Удмуртия, Россия). Эти поверхностные захоронения радиоактивных отходов начали заполняться в середине 1960-х годов и к настоящему времени существенно изменили экосистему близлежащих подземных вод за счет утечки растворимых компонентов этих отходов, в основном, таких как нитратов, аммония, сульфатов, урана и железа.
«Мы отобрали пробы из верхнего слоя подземных вод с глубины 10 метров из двух скважин с различным уровнем и типом химического загрязнения. В обеих скважинах (более и менее загрязненных азотом) было выявлено микробное сообщество, в котором в изобилии присутствуют азотпреобразующие микроорганизмы и, что удивительно, доминируют анаммокс-бактерии», – рассказывает первый автор статьи, описывающей новое исследование, Юрий Литти, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН.
С помощью метагеномного анализа ученые обнаружили в загрязненной низкотемпературной подземной среде новое сообщество анаммокс-микроорганизмов. Филогенетический анализ и сравнение геномов подтвердили открытие 4-х совершенно новых и ранее не изученных анаммокс-бактерий: нового рода Ca. Frigussubterria, нового вида Ca. Kuenenia и двух штаммов нового вида Ca. Scalindua. Новые бактерии были названы в честь местообитания, где они были обнаружены.
Представители Ca. Kuenenia glazoviensis и Ca. Frigussubterria udmurtiae в большом количестве обитали на менее загрязненном азотом участке, в то время как Ca. Scalindua chemeplantae были обнаружены в обеих скважинах, что показывает их лучшую адаптацию к высокому загрязнению.
Далее предстояло определить, какие гены у новых бактерий ответственны за метаболизм азота. В дополнение к основному метаболизму анаммокса был также проведен поиск потенциально уникальных метаболических путей, связанных с особой адаптацией бактерий к условиям загрязнения и температурного режима.
Анализ геномов выявил, что обнаруженные анаммокс-микроорганизмы обладали генами адаптации к холоду, детоксикации реактивного кислорода, а также были способны восстанавливать нерастворимые оксиды железа или марганца. В новых анаммокс-бактериях были также обнаружены гены утилизации мочевины, ассимиляционного восстановления сульфатов, восстановления нитратов до аммония и, предположительно, арсенатного дыхания.
«Открытие сразу четырех новых анаммокс-организмов не только само по себе значительно расширяет функциональное и филогенетическое разнообразие анаммокс-бактерий, но и улучшает общее понимание круговорота азота в местах с сильным загрязнением и низкими температурами. В дальнейшем уникальные свойства этих микроорганизмов можно будет применять для промышленных нужд», – поясняет результаты исследования Юрий Литти.
Такие сообщества анаммокс-бактерий могут быть использованы как для совершенствования процессов биоочистки сточных и подземных вод от азота, так и позволят разработать эффективные подходы для биоремедиации сильно загрязненных территорий in situ.