При помощи древних бактерий ученые хотят решить вопрос с азотными удобрениями и делятся прогрессом в этом направлении.
В архейскую эру — примерно 4 миллиарда лет назад — Земля была безжизненной планетой. В атмосфере не хватало кислорода, и на земном шаре практически не было организмов. Затем произошло нечто невероятное. Микроскопические бактерии появились в пресноводных озерах, вероятно, на территории современной Австралии.
Эти бактерии — известные сейчас как цианобактерии — обладали почти магической способностью преобразовывать солнечный свет и воду в кислород и другую химическую энергию. Это систематически изменило атмосферу Земли за последующие миллиарды с лишним лет, создав условия, необходимые для большинства форм жизни, которые сейчас существуют на нашей планете. Теперь ученые исследовательского центра BioNitrogen Economy Research Center разрабатывает экологичные азотные удобрения на основе цианобактерий.
В тихой, похожей на холодильник лаборатории на втором этаже лаборатории биостресса имени Эдгара С. Макфаддена при Университете штата Южная Дакота расставлены сотни чашек Петри, заполненных образцами цианобактерий. Несмотря на важность этих древних организмов в создании нашего мира, человечество не в полной мере воспользовалось практическими возможностями, которые предоставляют эти невероятные бактерии, говорит профессор Руаньбао Чжоу.
«Более 2,8 миллиарда лет назад крошечные цианобактерии совершили нечто поистине экстраординарное. Они использовали солнечный свет для расщепления воды и выделения кислорода. Таким образом, они превратили безжизненную планету в планету, способную дышать Сегодня эти же питающиеся солнечной энергией и фиксирующие азот микробы могут снова помочь нам изменить наш мир», — сказал Чжоу.
Руаньбао Чжоу является директором Исследовательского центра биоазотной экономики (BioNitrogen Economy Research Center), финансируемого Национальным научным фондом. Благодаря совместным усилиям Университета штата Южная Дакота, Южно-Дакотского горнодобывающего университета, Колледжа Оглала Лакота и компании Houdek, ведущие биологи и ученые партнерства работают над тем, чтобы использовать потенциал этих древних организмов.
Аммиак и сельское хозяйство
Аммиак — это бесцветный газ без, составляющий 78% атмосферы Земли. Он также необходим для крупномасштабного выращивания производства азотных удобрений, например, аммиачной селитры, для выращивания сельхозкультур.
Для удовлетворения потребностей мировой сельскохозяйственной продукции в азотных удобрениях используется более 130 миллионов метрических тонн аммиака. Ожидается, что это число будет только расти по мере увеличения численности населения мира и, соответственно, спроса на продовольствие.
Аммиак, богатое азотом соединение, в настоящее время производится с помощью энергоемкого процесса, известного во всем мире как процесс Гарбера-Боша, которому уже более ста лет.
Разработанный двумя немецкими химиками, которые впоследствии получили Нобелевские премии за свою работу, этот процесс, преобразующий атмосферный азот в аммиак посредством реакции с водородом, значительно увеличил объемы производства продуктов питания для фермеров. По оценкам исследователей, массовое производство аммиачной селитры позволило прокормить Землю еще 2–3 миллиардам человек.
Но этот процесс также создал проблемы. Поскольку для протекания реакции необходим природный газ — ископаемое топливо, — производство аммиака является одним из крупнейших источников газов, удерживающих тепло в атмосфере. Для производства всего одной тонны аммиака выбрасывается приблизительно 1,8 тонны углекислого газа.
Согласно данным Всемирного экономического форума, на производство аммиака приходится около 1,2% мировых выбросов. Аммиачная селитра, разновидность синтетических удобрений, также создает серьезные проблемы для водных ресурсов. Избыток удобрений, попадая в озера, реки и ручьи, может вызывать явление, известное как эвтрофикация, которое приводит к токсичному цветению водорослей, загрязнению и гибели водных организмов.
Проблема заключается не только в экологических аспектах. В последние годы стоимость синтетических удобрений резко выросла, и Американская федерация фермерских хозяйств ожидает дальнейшего роста цен, во многом из-за экспортных ограничений, роста цен на природный газ и геополитической нестабильности.
Поиск альтернативного метода производства аммиака стал глобальной приоритетной задачей. В то время как некоторые исследователи сосредоточены на усовершенствовании процесса Габера-Боша с целью снижения его энергоемкости, Чжоу придерживается другого подхода. Он считает, что его исследовательская группа может производить экологически чистые азотсодержащие удобрения путем генетической модификации цианобактерий, полностью минуя процесс Габера-Боша.
Цианобактерии: где они обитают и как действуют?
Три года назад Чжоу и его коллеги из Университета штата Сан-Диего, профессора Лань Сюй и Липин Гу, находились в глубине национального парка Бэдлендс в поисках чего-то слишком маленького, чтобы увидеть невооруженным глазом. Они искали микроскопические цианобактерии, способные выживать в условиях засухи. На скальных образованиях Чжоу нашел то, что искал. Он собрал образцы горных пород и принес их в свою лабораторию.
Как объясняет ученый, цианобактерии встречаются практически повсюду — от арктического льда до горячих источников и кишечника бизона, — и разные штаммы бактерий обладают разными характеристиками. Чжоу интересуют штаммы, обладающие «древней гениальностью» — способностью фиксировать азот, используя солнечный свет в качестве единственного источника энергии.
Анализируя образцы из Бэдлендс, Чжоу может наблюдать «магию» цианобактерий в действии.
Под микроскопом цианобактерии выглядят как длинные червеобразные структуры, сегментированные клетками (вместе образующими нить). При обнаружении дефицита азота бактерии подают себе сигнал к образованию специализированного типа клеток, называемых гетероцистами, для фиксации азота. Гетероцисты, некоторые из сегментированных клеток, вскоре становятся заметно крупнее и имеют более округлую форму, чем остальные.
Гетероцисты создают микроаэробные условия и активируют фермент нитрогеназу, что создает в клетке бескислородный «центр преобразования азота». Эти специфические условия позволяют нитрогеназе преобразовывать атмосферный азот в пригодную для использования форму, например, аммиак, посредством биологической фиксации азота.
«Удивительно, что цианобактерии умеют считать. Обычно примерно 10% отобранных клеток становятся гетероцистами, которые располагаются поодиночке через полурегулярные интервалы вдоль нитей, образуя определенный рисунок расположения. Благодаря инкапсуляции нитрогеназы внутри гетероцист, эта цианобактерия может одновременно осуществлять кислородный фотосинтез и фиксацию азота, неустойчивого к кислороду, при комнатной температуре и давлении 1 атмосфера (атм), в то время как для процесса Габера-Боша требуется температура от 400 до 550 °C и давление 150–200 атм», рассказывает ученый.
Однако этот процесс не обеспечивает достаточного количества полезных питательных веществ для глобального выращивания сельскохозяйственных культур. Для решения этой проблемы Чжоу и его команда выявляют ключевые гены, ответственные за фиксацию азота, используя модели искусственного интеллекта и геномное секвенирование.
«Главными участниками процесса фиксации азота являются гены nif, которые в совокупности кодируют комплекс нитрогеназы», — сказал Чжоу.
Передовые технологии, такие как инструменты синтетической биологии в сочетании с моделями искусственного интеллекта, позволяют создавать более мощные штаммы цианобактерий, что обеспечивает повышение эффективности и продуктивности фиксации азота.
«Генная инженерия также используется для внедрения новых свойств, таких как повышение эффективности фотосинтеза и устойчивости к стрессовым факторам окружающей среды, в биоудобрения на основе цианобактерий», — сказал Чжоу.
От лаборатории к полевым исследованиям
В университетской теплице Чжоу провел различные эксперименты, сравнивая растения пшеницы, выращенные с использованием разных штаммов цианобактерий в качестве удобрения, и стандартные синтетические удобрения. Без этикеток на горшках было бы трудно определить, какое растение использовало какое удобрение. Все растения достигли примерно одинаковой высоты и имели схожий внешний вид — это стало сигналом для Чжоу и исследовательской группы о том, что цианобактерии являются жизнеспособным вариантом биоудобрений.
В другой теплице Линь Вэй, профессор кафедры сельскохозяйственной и биотехнологической инженерии Университета штата Сан-Диего, занимается изготовлением оборудования, необходимого для увеличения объемов производства биоудобрений.
В лабораторных условиях цианобактерии выращивают в фотобиореакторах — замкнутых, коробчатых системах, позволяющих исследователям контролировать свет, газы и питательные вещества. Но этих фотобиореакторов явно недостаточно для выращивания необходимого количества цианобактерий для использования фермерами на своих полях. Вместо этого Вэй и его команда аспирантов построили в теплице фотобиореактор, который они называют «водопроводным прудом».
«Лабораторные фотобиореакторы имеют объем всего от 15 до 20 литров. Нам нужно массовое производство цианобактерий, поэтому мы построили собственный фотобиореактор», — сказал Вэй.
Фитобиореактор, имеющий овальную форму, вмещает около 400-500 литров воды. Затем Вэй выбрал штамм цианобактерий и выращивал в течение трех месяцев. Для сбора биомассы, похожей на водоросли, Вэй и его команда разработали и построили уборочную машину.
«Мы создали комбайн с вращающимся барабаном, — пояснил Вэй. — Машина также оснащена сепаратором, системой промывки и вакуумным барабаном, который позволит сушить биомассу».
Устройство, получившее название «Сборщик цианобактериальной биомассы», значительно повышает эффективность переработки цианобактерий в пригодный для использования продукт. Высушенная биомасса, имеющая зеленоватый оттенок, в конечном итоге превращается в порошок, который можно использовать для посыпки полей.
Ученые утверждают, что вместо внесения аммиачной селитры в поле два или три раза за вегетационный период, порошок, богатый цианобактериями, можно внести в поле один раз, и он естественным образом зафиксирует азот из воздуха, одновременно обеспечивая почву питательными веществами, необходимыми для роста растений.
«Благодаря своей активности на поверхности почвы или листьев растений азотфиксирующие цианобактерии высвобождают биодоступный азот в почву, создавая более благоприятную среду для роста сельскохозяйственных культур и улучшая общее состояние почвы. Эти живые, крошечные фабрики удобрений приносят пользу как текущим, так и последующим культурам, способствуя долгосрочному плодородию почвы и устойчивой сельскохозяйственной продуктивности», — сказал Чжоу.
Он отмечает, что это биоудобрение может быть особенно эффективно в регионах с почвами, испытывающими дефицит азота: «Цианобактерии представляют собой эффективное и экологически безопасное решение для повышения доступности питательных веществ и оптимизации урожайности в тех случаях, когда использование традиционных удобрений может быть ограничено или экономически нецелесообразно», — сказал Чжоу.
Экономический потенциал этих биоудобрений впечатляет. По прогнозам, к 2030 году объем мирового рынка аммиака достигнет 313 миллиардов долларов в год. Если биопродукты на основе цианобактерий смогут занять хотя бы 1% рынка, их стоимость составит приблизительно 3 миллиарда долларов.
Производство удобрений было одним из первых направлений проекта Исследовательского центра биоазотной экономики, но Чжоу считает, что цианобактерии могут оказать влияние далеко за пределами кполей. Он любит указывать на состав атмосферы Земли и нераскрытый потенциал цианобактерий, чтобы подчеркнуть будущие возможности.
«Солнечный свет и газообразный азот — два самых распространенных ресурса. Азот в атмосфере в 2000 раз более распространен, чем углерод», — объяснил Чжоу.
Несмотря на обилие азота, человечество сосредоточилось на углероде и построило наш мир вокруг углеродной экономики, которая почти исключительно зависит от доступности дешевых невозобновляемых видов топлива. В действительности, эти виды топлива являются ограниченным ресурсом, и в конечном итоге человечеству придется искать альтернативные источники энергии для своей экономики.
Чжоу считает, что мы можем перейти к более распространенному элементу — азоту — и создать биосолнечную азотную экономику, основанную на практически безграничных ресурсах солнечного света, газообразного азота и цианобактерий: «Объединив усилия с этими древними, удивительными микробами и смешав природу с современными инженерными решениями, мы можем построить экономику, основанную на биоазоте и использующую солнечную энергию. Это означает более экологичные отрасли промышленности, более здоровые почвы и планету, которая останется чистой, живой и полной жизни для будущих поколений».
Помимо удобрений, команда Чжоу занимается темой биотоплива и уже разработала клеточные «цианофабрики» (генетически модифицированные цианобактерии), способные преобразовывать воздух и воду в молекулы топлива — такие как лимонен и линалоол для реактивного топлива — с помощью солнечного света.
Цианобактерии производят водород в качестве побочного продукта биологической фиксации азота. Хотя эта технология находится еще на самых ранних стадиях развития, водород в конечном итоге может быть объединен с другими элементами или химическими веществами для создания относительно чистого биотоплива — такого, которое даже сможет обеспечивать энергией самолеты и потенциально снизить зависимость мира от ископаемого топлива.
«Точно так же, как цианобактерии когда-то преобразили Землю, они могут вдохновить нас на ее повторное преобразование на пути к более экологичному и устойчивому будущему для всех», — заключил Чжоу.
Источник: South Dakota State University. Автор: Аддисон ДеХейвен. На фото: Руаньбао Чжоу (впереди) и Диллон Нельсон, который возглавляют исследования по использованию потенциала цианобактерий. Источник фото: South Dakota State University.