Знаковое открытие индийских ученых направлено на снижение вреда от знаменитого инсектицида, а также объясняет, как яд превращается в пищу для бактерий и служит впоследствии на благо процветания растений
Индийский технологический институт Бомбея создал удивительное бактериальное средство от токсичного пестицида карбарил.
Воспоминания о газовой трагедии в Бхопале, унесшей тысячи жизней и причинившей вред нескольким тысячам людей, свежи в Индии и спустя три десятка лет. Виновником был токсичный газ, использованный для производства пестицида под названием «Карбарил» на фабрике Union Carbide India Limited.
Несмотря на возмущения эко-активистов, требующих полного запрета карбарила, пестицид продолжает применяться в агро. Ученые из Индийского технологического института Бомбея взялись решить задачу, как удалить остатки пестициды из окружающей среды или найти метод его разложения на менее опасные вещества.
Доктор Фейл и его команда из Индийского технологического института в Бомбее, а также и сотрудник доктор Шарма из Института геномики и интегральной биологии (CSIR-IGIB), Дели, добились значительного прорыва в выявлении бактерий, которые могут нейтрализовать этот пестицид.
Карбарил, чаще всего продаваемый под торговым названием «Севин», является предпочтительным пестицидом для сельскохозяйственного, а также несельскохозяйственного использования (газоны, домашний сад и придорожная зелень) против тли, пауков, блох, клещей и многих других вредителей.
Карбарил ингибирует фермент, ответственный за перенос нервных импульсов, и парализует нервную систему вредителей. Это мешает вредителям дышать, что приводит к смерти.
Эко-активисты утверждают, что карбарил оказывает неблагоприятное воздействие и на людей, становясь причиной рака, а также убивает дождевых червей, снижает плодородие почвы, парализует и убивает опылителей – медоносных пчел. Следы карбарила остаются в почве и поле даже спустя месяцы после сбора урожая.
«Если при незначительном воздействии мы сталкиваемся с такими проблемами, как раздражение кожи и отек глаз, то при более высокой концентрации пестицид может вызвать астматические, респираторные и паралитические симптомы», - объясняет доктор Фаул.
«Карбарил может оставаться на отдельных участках в течение многих лет после сбора урожая, потому что он медленно разлагается в кислой почве по сравнению со щелочной почвой. Кроме того, повторное применение карбарила на полях увеличивает его концентрацию до уровня, смертельного для живых существ», - объясняет Фейл.
Разрушение или деградация карбарила является многоэтапным процессом. Бактерии используют ферменты для превращения карбарила в первое промежуточное соединение, а затем на каждом этапе они превращают его в другое промежуточное соединение для образования пути к разложению пестицида.
«Наш интерес состоял в том, чтобы проанализировать процесс деградации карбарила микробами в сельскохозяйственной сфере», - говорит д-р Фейл, говоря о мотивации их исследований.
Ученые знали о некоторых видах микробов, которые могут разрушать карбарил. Все же полный процесс деградации был неизвестен.
Доктор Фэйл и его команда собрали образцы почвы с полей и изолировали штаммы бактерий, которые могут разлагать карбарил.
Они обнаружили три штамма бактерий Pseudomonas, которые эффективно удаляют карбарил.
Исследователи идентифицировали промежуточные продукты, такие как 1,2-дигидроксинафталин, образующиеся в процессе разложения, и описали полный путь разложения. Они использовали штамм Pseudomonas «C5pp» в последующих исследованиях, чтобы понять процесс деградации.
Начнем с того, что бактериальный фермент «карбарилгидролаза» действует на карбарил, образуя «1-нафтол» и «метиламин». 1-нафтол служит источником углерода для бактерий, а метиламин служит источником азота. Таким образом, карбарил - яд для других - действует как пища и источник энергии для этих бактерий.
Многие микробы могут разрушать карбарил, но штаммы Pseudomonas, о которых сообщалось в этом исследовании, были более эффективными. Они могут разлагать пестицид за 12-13 часов, что в 4-5 раз быстрее, чем другие бактерии, озвученные в научной литературе.
В чем может быть секрет этой высокой эффективности?
Исследование генома штамма Pseudomonas C5pp показало, что гены, ответственные за деградацию карбарила, организованы в три различных набора. Бактерия могла приобрести эти гены у видов Ralstonia или других видов Pseudomonas, способных разрушать опасные соединения.
Этот процесс перемещения генетического материала между одноклеточными или многоклеточными организмами называется «горизонтальным переносом генов» и отличается от вертикального переноса генов от родителя к потомству.
«Природа действует как лаборатория сама по себе. Организмы в экосистеме взаимодействуют друг с другом и обмениваются генетическим материалом для их пользы и выживания», - объясняет д-р Фейл.
Эта умная бактерия приобрела гены у других организмов, способных расщеплять различные ароматические соединения, а также частично карбарил, организовала эти гены вместе и использовала этот механизм для эффективного использования карбарила в качестве пищи и, следовательно, его выживания.
Карбарил - не единственное токсичное соединение, с которым сталкиваются бактерии. Первый продукт распада, 1-нафтол, образующийся в организме бактерии, даже более токсичен, чем сам карбарил. Тогда как эта крошечная бактерия переживает эту токсичность? Продолжение этого вопроса выявило некоторые интересные результаты.
Бактерии, подобные Pseudomonas, имеют две мембраны - внутреннюю и внешнюю, с перегородкой, называемой периплазмой.
Разложение пестицида карбарила в 1-нафтол происходит в периплазме. Внутренняя мембрана защищает основной орган или цитоплазму от 1-нафтола, который может быть смертельным при высокой концентрации, но менее токсичным при меньшей концентрации.
Это позволяет 1-нафтолу медленно проникать в цитоплазму. 1-нафтол превращается в более растворимое, нетоксичное соединение в цитоплазме, а затем в органические кислоты, которые потребляет клетка, для синтеза аминокислот, нуклеотидов и сахаров. Это является еще одной стратегией, используемой этой бактерией.
Штаммы Pseudomonas могут быть использованы для уничтожения пестицидов на сильно загрязненных сельскохозяйственных полях. Они также могут быть полезны для очистки сточных вод или сточных вод в отраслях, производящих или использующих карбарил или 1-нафтол.
«Штаммы, выделенные нами, являются дикой природной культурой, а не генетически модифицированными организмами, поэтому нет ограничений на их использование», - говорят ученые.
Загрязнение пестицидами и связанные с этим опасности для здоровья вызывают все большую обеспокоенность во всем мире. Исследования доктора Фейла и его команды обеспечивают естественное решение для избавления от опасного пестицида. Информация о процессе деградации и бактериальном механизме также открывает возможность конструировать генетически модифицированные организмы для устранения специфического загрязнения пестицидами.
Кроме того, Pseudomonas, как известно, способствуют росту растений. Исследователи полагают, что выделенные штаммы могут продуцировать различные ферменты и белки, органические кислоты и метаболиты, которые могут стимулировать рост растений.
«В настоящее время мы изучаем эти моменты, способствующие росту растений», - заключает д-р Фейл.
(Источник: Research Matters).